Os cientistas estão transformando a Terra em um detector gigante das forças ocultas que moldam o nosso universo

Esta abordagem estabelece as bases para um sistema de detecção global e interplanetário que pode detectar partículas e forças ocultas.

Compreendendo o SQUIRE e sua estratégia quântica cósmica

As interações mediadas por bósons exóticos são divididas em 16 categorias. Destes, 15 dependem do spin da partícula e 10 dependem da velocidade relativa. Essas interações podem causar pequenas mudanças nos níveis de energia atômica, e os sensores de spin quântico detectam essas mudanças como campos pseudomagnéticos. A missão SQUIRE pretende colocar esses sensores em plataformas espaciais, incluindo a Estação Espacial da China, para procurar campos pseudomagnéticos criados por interações exóticas entre os sensores e os geoelétrons da Terra. Ao combinar o acesso ao espaço com instrumentos de precisão quântica, o SQUIRE evita as severas limitações dos experimentos terrestres, que lutam para aumentar a velocidade relativa e o número total de spins polarizados simultaneamente.

Por que a órbita baixa da Terra melhora muito a sensibilidade

Várias características do ambiente orbital oferecem vantagens significativas.

1. A estação espacial da China está se movendo na órbita baixa da Terra a uma velocidade de 7,67 km/s em relação à Terra, que é quase a primeira velocidade espacial e cerca de 400 vezes mais rápida do que as fontes móveis convencionais usadas em testes de laboratório.
2. A Terra atua como uma enorme fonte natural de spins polarizados. Geoelétrons desemparelhados no manto e na crosta, alinhados pelo campo geomagnético, fornecem aproximadamente 10⁴² de elétrons polarizados, que excede as capacidades do SmCo₅ fontes de laboratório giram cerca de 10¹⁷.
3. O movimento orbital transforma sinais de interação exóticos em sinais periódicos. Para a Estação Espacial da China (período orbital de aproximadamente 1,5 horas), isso produz uma modulação em torno de 0,189 MHz, uma região com ruído intrínseco mais baixo do que as faixas de medição DC.

Ganhos de desempenho projetados em órbita

Com essas vantagens de espaço, o conceito SQUIRE permite amplitudes de campo exóticas de até 20 pT, mesmo com limites de corrente rígidos nas constantes de acoplamento. Isto é muito superior ao melhor limite de detecção terrestre de 0,015 pT. Para interações dependentes da taxa com uma faixa de força> 10⁶ m, a sensibilidade prevista melhora em 6–7 ordens de magnitude.

Construindo um sensor de rotação quântica pronto para o espaço

O desenvolvimento de um protótipo de sensor quântico é fundamental para o lançamento do SQUIRE. O instrumento deve permanecer extremamente sensível e estável por longos períodos de tempo enquanto opera em condições orbitais desafiadoras. No espaço, os sensores de rotação enfrentam três fontes dominantes de interferência: mudanças no campo geomagnético, vibrações mecânicas da espaçonave e radiação cósmica.

Ruído reduzido e estabilidade melhorada

Para superar estes desafios, a equipe SQUIRE criou um protótipo utilizando três inovações principais.

1. Sensor duplo de rotação de gás nobre: ​​o dispositivo usa ¹²⁹Heh e ¹³¹Isótopos Xe com razões giromagnéticas opostas, permitindo o cancelamento do ruído magnético comum enquanto permanece responsivo aos sinais SSVI. Esta abordagem fornece 10⁴-supressão de ruído múltipla. Com blindagem magnética multicamadas, a interferência geomagnética cai para o nível sub-femtotesla.
2. Tecnologia de compensação de vibração: um giroscópio de fibra óptica rastreia as vibrações da espaçonave e permite a correção ativa, reduzindo o ruído de vibração para aproximadamente 0,65 pés.
3. Arquitetura resistente à radiação: caixa de alumínio com 0,5 cm de espessura e redundância modular tripla na eletrônica de controle protegem o sistema dos raios cósmicos. O projeto pode continuar a funcionar mesmo se dois dos três módulos falharem, reduzindo as interrupções relacionadas à radiação para menos de uma vez por dia.

Sensibilidade em órbita e prontidão científica

Combinando essas tecnologias, o protótipo atinge uma sensibilidade de disparo único de 4,3 pés a 1165 s, o que é adequado para detectar sinais SSVI que seguem um período orbital de 1,5 horas. Esta capacidade fornece uma base tecnológica sólida para pesquisas precisas em órbita de matéria escura.

Extensão para a Rede de Sensoriamento Quântico Espaço-Terra

Os detectores de spin quântico a bordo da Estação Espacial Chinesa podem fazer muito mais do que procurar interações exóticas. A SQUIRE oferece uma rede de detecção quântica “integrada espaço-solo” que conecta detectores em órbita a detectores na Terra, fornecendo sensibilidade muito maior a muitos modelos de matéria escura e outros recursos além do modelo padrão. Isso inclui interações exóticas adicionais, halos Axion e estudos de violação de CPT.

Oportunidades futuras em todo o sistema solar

O movimento de alta velocidade das sondas em órbita aumenta o acoplamento entre os halos do áxion e as rotações do núcleon, proporcionando um aumento de dez vezes na sensibilidade em comparação com pesquisas terrestres de matéria escura. À medida que a China se expande mais profundamente no Sistema Solar, a abordagem do SQUIRE poderá eventualmente utilizar planetas distantes como Júpiter e Saturno (por exemplo, planetas ricos em partículas polarizadas) como grandes fontes naturais de rotação. Esta visão de longo prazo abre a porta para o estudo da física em escalas cósmicas muito maiores.