雖然各種各樣的研究都暗示了暗物質(zhì)的存在，但人們對它的性質(zhì)、組成和潛在的物理學原理仍然知之甚少。

近年來，物理學家一直在理論化和尋找各種可能的暗物質(zhì)候選者，包括普朗克尺度(約1.22×1019 GeV或2.18×10?8 kg)的粒子，這些粒子可能與量子引力效應(yīng)有關(guān)。

艾克斯-馬賽大學和量子光學與量子信息研究所的研究人員最近假設(shè)，可以利用高度敏感的引力介導的量子相移來探測普朗克尺度的暗物質(zhì)。他們的論文發(fā)表在《物理評論快報》上，介紹了一種旨在利用約瑟夫森結(jié)探測這些假設(shè)暗物質(zhì)粒子的方案。

“這項研究起源于亞歷杭德羅·佩雷斯提出的一個想法，”該論文的合著者卡洛·羅維利告訴Phys.org。

“我們?nèi)齻€人都在QISS研究聯(lián)盟在法國農(nóng)村組織的量子引力和量子信息學校教書，因為我們彼此認識，但我們通常住在不同的城市，所以我們決定在那里合租一套公寓。

“亞歷杭德羅的想法是，由引力產(chǎn)生的一種特殊的量子干涉，被討論為在實驗室中揭示量子引力效應(yīng)的一種可能方式，也可以用來探測普朗克尺度的暗物質(zhì)?！?/p>

幾年來，Christodoulou和他在量子光學和量子信息研究所的同事們一直在探索探測普朗克尺度暗物質(zhì)粒子的可能性。最初，他們關(guān)注的是使用量子傳感器檢測這些粒子的可能性，克里斯托多盧也在2022年希臘的一個研討會上與羅維利討論了這個想法。

“我有一個學生在嘗試計算粒子在引力作用下的經(jīng)典運動，這在當時被視為利用維也納開發(fā)的技術(shù)進行量子傳感的初步步驟。然而，這是一個錯誤的想法，”該研究的合著者馬里奧斯·克里斯托杜魯說。

“當我在法國講授引力介導糾纏實驗背后的理論時，我提出的一個主要觀點正是，雖然引力的影響通常被認為是‘物體相互碰撞’，但干涉測量法可以放大引力的微小影響的原因是它與此無關(guān)，”他說。但只與作用的值有關(guān)作用的值在量子環(huán)境中可以取不同的值即使忽略了'物體相互碰撞'

當他在法國土倫大學時，Christodoulou開始與該大學的高級教授Alejandro Perez討論他在研究中探索的想法。這引發(fā)了最終導致這項研究的合作。

“然后我告訴他，我有一個學生試圖計算經(jīng)典傳感器的‘物體相互碰撞’效應(yīng)，這將使我們隨后想到量子傳感器。亞歷杭德羅提到，我剛才說這樣做是錯誤的，我沒有意識到這一點?！薄熬驮谀莻€時候，這個想法靈光一閃，然后亞歷杭德羅花了幾天時間在他的筆記本電腦上進行計算，這是論文的主要內(nèi)容?！?/p>

這組研究人員的研究建立在Rovelli先前的研究基礎(chǔ)上，后者從環(huán)量子引力理論的理論角度描述了普朗克黑洞(具有普朗克水平質(zhì)量的黑洞)。他的理論認為，這些粒子只在引力作用下相互作用，這使它們成為有希望的暗物質(zhì)候選者。

佩雷斯說:“我在2021年開始癡迷于這個想法，當時我意識到，一個足夠熱的大爆炸會產(chǎn)生適量的黑洞，這正是解釋今天觀測到的暗物質(zhì)豐度所需的?！?/p>

“大爆炸需要處于接近普朗克溫度的初始溫度，從量子引力的角度來看，這也是一種自然的可能性。我稱之為“引力奇跡”，與所謂的WIMP奇跡類似(當人們強烈相信超對稱理論時，WIMP奇跡推動了對WIMP的研究)。從那以后，我一直在努力尋找這個想法的一些觀測方法，或者換句話說，如果暗物質(zhì)是由如此微小的黑洞組成的，我們?nèi)绾巫C明它?”

隨后，Rovelli、Christodoulou和Perez開始更深入地探索這個想法，并試圖找出測試它的潛在方法。他們首先關(guān)注的是在引力相關(guān)的情況下測試量子力學的潛在方法。

佩雷斯說:“我在QISS會議上聽了馬庫斯·阿斯佩爾邁耶(Markus Aspelmeyer)的演講，在那里，人們正在進行這一領(lǐng)域令人難以置信的實驗，這些實驗在不久前似乎是不可能的。”“那天下午，我們?nèi)齻€人進行了討論，論文的想法自然產(chǎn)生了?！?/p>

基于羅維利之前對黑洞的理論研究，研究人員假設(shè)普朗克尺度的物體確實存在。在過去的這些論文中，他們提出，在它們生命的盡頭，黑洞可能會變成普朗克尺度的粒子，壽命很長。這些粒子非常微小，但卻擁有相當大的質(zhì)量，大約只有微克的幾分之一。

Christodoulou說:“我們的主要假設(shè)是，普朗克質(zhì)量粒子的橫截面與普朗克質(zhì)量粒子的橫截面大致相同，它存在于自然界中。”

“由于普朗克質(zhì)量大約是人類頭發(fā)的質(zhì)量，因此它們將具有相對顯著的引力。它很小，但足夠大，以至于它的引力幾乎無法探測到。這些是非常自然的暗物質(zhì)候選者，因為我們知道暗物質(zhì)有引力相互作用，但沒有其他顯著的方式，這就是這些粒子的行為方式?！?/p>

從本質(zhì)上講，研究人員提出，在兩個不同位置處于疊加態(tài)(即同時以多種狀態(tài)存在)的測試粒子(即探針)，當具有普朗克尺度質(zhì)量的粒子經(jīng)過它時，將在這兩個位置感受到引力場。這將產(chǎn)生一種量子效應(yīng)，如果在實驗中促使探針的兩種狀態(tài)相互干擾，這種量子效應(yīng)就可以被探測到。

佩雷斯說:“要實際測量效果(因為波函數(shù)只告訴我們找到探測粒子所在位置的概率)，人們必須多次重復觀察并做統(tǒng)計?！?/p>

“問題是我們沒有這樣的奢侈，因為暗物質(zhì)粒子非常罕見(它們的密度非常小)，所以實驗不能隨意重復很多次。

“對于實際問題，最好假設(shè)探針粒子具有自旋(作為電子)，然后更容易產(chǎn)生一個理想的實驗，即測量干涉(不是在位置上)，而是在自旋變量中。然而，在這種改進的情況下，必須多次重復實驗的困難仍然存在?！?/p>

在他們的論文中，研究小組表明，使用一個許多粒子處于相干集體量子態(tài)的系統(tǒng)來搜索普朗克尺度的粒子是可能的。該方案將消除重復實驗幾次的需要。

“在一個特殊的量子態(tài)中，大約有1023個電子/cm3，其中所有電子的行為都像一個電子(它們被一個集體的單一波函數(shù)描述)，”佩雷斯說。

“在約瑟夫森結(jié)中，它們(在某種程度上)處于結(jié)兩側(cè)不同位置的疊加狀態(tài)(分隔兩個超導體的空間間隙)。暗物質(zhì)粒子的通道在結(jié)的每一邊都有不同的作用(引力)，因為它們在不同的距離上，兩邊波函數(shù)之間的干涉產(chǎn)生了宏觀效應(yīng):電流穿過結(jié)(電子穿過間隙)?！?/p>

研究人員提出的方案消除了多次重復實驗的需要。這是由于普朗克尺度暗物質(zhì)粒子的單次通過中涉及大量電子，這減少了對統(tǒng)計計算的需求。

“通過間隙的電流是1023個電子/cm3的概率響應(yīng)的平均值(在統(tǒng)計學意義上)，”Perez說。“這就好像第一類實驗的宏觀數(shù)量會立刻完成一樣。”

Rovelli、Christodoulou和Perez最近發(fā)表的這篇論文可能很快就會為尋找普朗克尺度的暗物質(zhì)粒子開辟新的可能性。在未來，他們提出的方案可能有助于首次探測到這些高度難以捉摸的粒子。

“我們的工作提供了一種具體的方法來探測這些粒子，”Rovelli說。

“有趣的是，這些粒子可能是天文學家發(fā)現(xiàn)的神秘暗物質(zhì)的主要組成部分。如果我們提出的探測能夠?qū)崿F(xiàn)，那將是驚人的:同時，它將告訴我們暗物質(zhì)是什么，它將驗證量子引力的想法，導致這種粒子存在的想法，特別是環(huán)量子引力，這是預(yù)測的基礎(chǔ)，它還將揭示自然界中一種新的物體:這些普朗克尺度的粒子?！?/p>

該研究小組制定的協(xié)議可以作為開發(fā)新的探測器的基礎(chǔ)，以尋找具有普朗克尺度質(zhì)量的暗物質(zhì)粒子。羅維利是一名理論物理學家，目前正在進行新的研究，旨在了解黑洞如何演變成這些假設(shè)的暗物質(zhì)粒子。

Christodoulou說:“檢測這種粒子在技術(shù)上將是一個巨大的挑戰(zhàn)，可能有空間考慮使用相同原理但不同傳感器的其他檢測方法?！薄斑@是我一直在腦后思考的事情?！?/p>

當Rovelli現(xiàn)在繼續(xù)他的理論工作時，Christodoulou和Perez已經(jīng)開始與其他實驗物理學家合作，比如維也納OEAW的Gerard Higgins和Martin Zemlicka。這些合作可能會導致研究探索使用超導體測量引力場的可能性。

“我相信暗物質(zhì)是由普朗克質(zhì)量粒子構(gòu)成的假設(shè)在天體物理學中一定有其他的觀測結(jié)果，”佩雷斯補充說。

“例如，它們與其他粒子極弱的相互作用(結(jié)合它們的量子力學性質(zhì))可能意味著，這種暗物質(zhì)在通過引力形成結(jié)構(gòu)時的行為與預(yù)期不同:它有可能解釋星系暈結(jié)構(gòu)中的一些謎題?！?/p>

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