虽然各种各样的研究都暗示了暗物质的存在，但人们对它的性质、组成和潜在的物理学原理仍然知之甚少。
近年来，物理学家一直在理论化和寻找各种可能的暗物质候选者，包括普朗克尺度(约1.22×1019 GeV或2.18×10?8 kg)的粒子，这些粒子可能与量子引力效应有关。
艾克斯-马赛大学和量子光学与量子信息研究所的研究人员最近假设，可以利用高度敏感的引力介导的量子相移来探测普朗克尺度的暗物质。他们的论文发表在《物理评论快报》上，介绍了一种旨在利用约瑟夫森结探测这些假设暗物质粒子的方案。
“这项研究起源于亚历杭德罗·佩雷斯提出的一个想法，”该论文的合著者卡洛·罗维利告诉Phys.org。
“我们三个人都在QISS研究联盟在法国农村组织的量子引力和量子信息学校教书，因为我们彼此认识，但我们通常住在不同的城市，所以我们决定在那里合租一套公寓。
“亚历杭德罗的想法是，由引力产生的一种特殊的量子干涉，被讨论为在实验室中揭示量子引力效应的一种可能方式，也可以用来探测普朗克尺度的暗物质。”
几年来，Christodoulou和他在量子光学和量子信息研究所的同事们一直在探索探测普朗克尺度暗物质粒子的可能性。最初，他们关注的是使用量子传感器检测这些粒子的可能性，克里斯托多卢也在2022年希腊的一个研讨会上与罗维利讨论了这个想法。
“我有一个学生在尝试计算粒子在引力作用下的经典运动，这在当时被视为利用维也纳开发的技术进行量子传感的初步步骤。然而，这是一个错误的想法，”该研究的合著者马里奥斯·克里斯托杜鲁说。
“当我在法国讲授引力介导纠缠实验背后的理论时，我提出的一个主要观点正是，虽然引力的影响通常被认为是‘物体相互碰撞’，但干涉测量法可以放大引力的微小影响的原因是它与此无关，”他说。但只与作用的值有关作用的值在量子环境中可以取不同的值即使忽略了'物体相互碰撞'
当他在法国土伦大学时，Christodoulou开始与该大学的高级教授Alejandro Perez讨论他在研究中探索的想法。这引发了最终导致这项研究的合作。
“然后我告诉他，我有一个学生试图计算经典传感器的‘物体相互碰撞’效应，这将使我们随后想到量子传感器。亚历杭德罗提到，我刚才说这样做是错误的，我没有意识到这一点。”“就在那个时候，这个想法灵光一闪，然后亚历杭德罗花了几天时间在他的笔记本电脑上进行计算，这是论文的主要内容。”
这组研究人员的研究建立在Rovelli先前的研究基础上，后者从环量子引力理论的理论角度描述了普朗克黑洞(具有普朗克水平质量的黑洞)。他的理论认为，这些粒子只在引力作用下相互作用，这使它们成为有希望的暗物质候选者。
佩雷斯说:“我在2021年开始痴迷于这个想法，当时我意识到，一个足够热的大爆炸会产生适量的黑洞，这正是解释今天观测到的暗物质丰度所需的。”
“大爆炸需要处于接近普朗克温度的初始温度，从量子引力的角度来看，这也是一种自然的可能性。我称之为“引力奇迹”，与所谓的WIMP奇迹类似(当人们强烈相信超对称理论时，WIMP奇迹推动了对WIMP的研究)。从那以后，我一直在努力寻找这个想法的一些观测方法，或者换句话说，如果暗物质是由如此微小的黑洞组成的，我们如何证明它?”
随后，Rovelli、Christodoulou和Perez开始更深入地探索这个想法，并试图找出测试它的潜在方法。他们首先关注的是在引力相关的情况下测试量子力学的潜在方法。
佩雷斯说:“我在QISS会议上听了马库斯·阿斯佩尔迈耶(Markus Aspelmeyer)的演讲，在那里，人们正在进行这一领域令人难以置信的实验，这些实验在不久前似乎是不可能的。”“那天下午，我们三个人进行了讨论，论文的想法自然产生了。”
基于罗维利之前对黑洞的理论研究，研究人员假设普朗克尺度的物体确实存在。在过去的这些论文中，他们提出，在它们生命的尽头，黑洞可能会变成普朗克尺度的粒子，寿命很长。这些粒子非常微小，但却拥有相当大的质量，大约只有微克的几分之一。
Christodoulou说:“我们的主要假设是，普朗克质量粒子的横截面与普朗克质量粒子的横截面大致相同，它存在于自然界中。”
“由于普朗克质量大约是人类头发的质量，因此它们将具有相对显著的引力。它很小，但足够大，以至于它的引力几乎无法探测到。这些是非常自然的暗物质候选者，因为我们知道暗物质有引力相互作用，但没有其他显著的方式，这就是这些粒子的行为方式。”
从本质上讲，研究人员提出，在两个不同位置处于叠加态(即同时以多种状态存在)的测试粒子(即探针)，当具有普朗克尺度质量的粒子经过它时，将在这两个位置感受到引力场。这将产生一种量子效应，如果在实验中促使探针的两种状态相互干扰，这种量子效应就可以被探测到。
佩雷斯说:“要实际测量效果(因为波函数只告诉我们找到探测粒子所在位置的概率)，人们必须多次重复观察并做统计。”
“问题是我们没有这样的奢侈，因为暗物质粒子非常罕见(它们的密度非常小)，所以实验不能随意重复很多次。
“对于实际问题，最好假设探针粒子具有自旋(作为电子)，然后更容易产生一个理想的实验，即测量干涉(不是在位置上)，而是在自旋变量中。然而，在这种改进的情况下，必须多次重复实验的困难仍然存在。”
在他们的论文中，研究小组表明，使用一个许多粒子处于相干集体量子态的系统来搜索普朗克尺度的粒子是可能的。该方案将消除重复实验几次的需要。
“在一个特殊的量子态中，大约有1023个电子/cm3，其中所有电子的行为都像一个电子(它们被一个集体的单一波函数描述)，”佩雷斯说。
“在约瑟夫森结中，它们(在某种程度上)处于结两侧不同位置的叠加状态(分隔两个超导体的空间间隙)。暗物质粒子的通道在结的每一边都有不同的作用(引力)，因为它们在不同的距离上，两边波函数之间的干涉产生了宏观效应:电流穿过结(电子穿过间隙)。”
研究人员提出的方案消除了多次重复实验的需要。这是由于普朗克尺度暗物质粒子的单次通过中涉及大量电子，这减少了对统计计算的需求。
“通过间隙的电流是1023个电子/cm3的概率响应的平均值(在统计学意义上)，”Perez说。“这就好像第一类实验的宏观数量会立刻完成一样。”
Rovelli、Christodoulou和Perez最近发表的这篇论文可能很快就会为寻找普朗克尺度的暗物质粒子开辟新的可能性。在未来，他们提出的方案可能有助于首次探测到这些高度难以捉摸的粒子。
“我们的工作提供了一种具体的方法来探测这些粒子，”Rovelli说。
“有趣的是，这些粒子可能是天文学家发现的神秘暗物质的主要组成部分。如果我们提出的探测能够实现，那将是惊人的:同时，它将告诉我们暗物质是什么，它将验证量子引力的想法，导致这种粒子存在的想法，特别是环量子引力，这是预测的基础，它还将揭示自然界中一种新的物体:这些普朗克尺度的粒子。”
该研究小组制定的协议可以作为开发新的探测器的基础，以寻找具有普朗克尺度质量的暗物质粒子。罗维利是一名理论物理学家，目前正在进行新的研究，旨在了解黑洞如何演变成这些假设的暗物质粒子。
Christodoulou说:“检测这种粒子在技术上将是一个巨大的挑战，可能有空间考虑使用相同原理但不同传感器的其他检测方法。”“这是我一直在脑后思考的事情。”
当Rovelli现在继续他的理论工作时，Christodoulou和Perez已经开始与其他实验物理学家合作，比如维也纳OEAW的Gerard Higgins和Martin Zemlicka。这些合作可能会导致研究探索使用超导体测量引力场的可能性。
“我相信暗物质是由普朗克质量粒子构成的假设在天体物理学中一定有其他的观测结果，”佩雷斯补充说。
“例如，它们与其他粒子极弱的相互作用(结合它们的量子力学性质)可能意味着，这种暗物质在通过引力形成结构时的行为与预期不同:它有可能解释星系晕结构中的一些谜题。”
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