Cientistas estão transformando a Terra em um detector gigante de forças ocultas que moldam nosso Universo

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

Compreendendo o SQUIRE e sua estratégia quântica baseada no espaço

As interações mediadas por bósons exóticos se enquadram em 16 categorias. Destes, 15 dependem do giro das partículas e 10 dependem da velocidade relativa. Essas interações podem produzir 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 gerados por interações exóticas entre os sensores e os geoelétrons da Terra. Ao combinar o acesso ao espaço com ferramentas de precisão quântica, o SQUIRE evita uma grande limitação dos experimentos terrestres, que lutam para aumentar a velocidade relativa e o número total de spins polarizados ao mesmo tempo.

Por que a órbita terrestre baixa melhora muito a sensibilidade

Várias características do ambiente orbital oferecem grandes vantagens.

1. A Estação Espacial da China viaja em órbita baixa da Terra a 7,67 km/s em relação à Terra, quase a primeira velocidade cósmica e cerca de 400 vezes mais rápida do que as fontes móveis típicas usadas em testes de laboratório.
2. A Terra atua como uma enorme fonte natural de spins polarizados. Geoelétrons desemparelhados dentro do manto e da crosta, alinhados pelo campo geomagnético, fornecem cerca de 10⁴² elétrons polarizados, excedendo as capacidades do SmCo₅ fontes de rotação de laboratório em aproximadamente 10¹⁷.
3. O movimento orbital transforma assinaturas de interação exóticas em sinais periódicos. Para a Estação Espacial da China (período orbital de aproximadamente 1,5 horas), isso produz modulação próxima de 0,189 MHz, uma região com ruído intrínseco mais baixo do que as bandas de medição DC.

Ganhos de desempenho projetados em órbita

Com esses benefícios proporcionados pelo espaço, o conceito SQUIRE permite que amplitudes de campo exóticas alcancem até 20 pT, mesmo sob limites rígidos de corrente nas constantes de acoplamento. Isto é dramaticamente superior ao melhor limite de detecção terrestre de 0,015 pT. Para interações dependentes da velocidade com faixas de força> 10⁶ m, a sensibilidade projetada melhora em 6 a 7 ordens de magnitude.

Construindo um sensor de rotação quântica pronto para o espaço

O desenvolvimento do protótipo do sensor quântico é essencial para colocar o SQUIRE em operação. O instrumento deve permanecer extremamente sensível e estável durante longos períodos enquanto opera em um ambiente orbital desafiador. No espaço, os sensores de rotação encontram três fontes dominantes de interferência: variações no campo geomagnético, vibrações mecânicas da espaçonave e radiação cósmica.

Reduzindo o ruído e aumentando a estabilidade

Para superar esses desafios, a equipe SQUIRE criou um protótipo utilizando três grandes inovações.

1. Sensor duplo de rotação de gás nobre: ​​o dispositivo usa ¹²⁹Xe e ¹³¹Isótopos Xe com razões giromagnéticas opostas, o que permite cancelar o ruído magnético compartilhado enquanto permanece responsivo aos sinais SSVI. Esta abordagem fornece 10⁴– supressão de ruído dobrável. Com a blindagem magnética multicamadas, os distúrbios geomagnéticos caem 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, elevando o ruído de vibração para aproximadamente 0,65 pés.
3. Arquitetura Reforçada contra Radiação: Um gabinete de alumínio de 0,5 cm e redundância modular tripla em sua eletrônica de controle protegem o sistema contra raios cósmicos. O projeto pode continuar funcionando mesmo se dois dos três módulos falharem, reduzindo as interrupções relacionadas à radiação para menos de uma por dia.

Sensibilidade em órbita e prontidão científica

Ao combinar essas tecnologias, o protótipo atinge uma sensibilidade de disparo único de 4,3 fT a 1165 s, que é bem compatível com a detecção de sinais SSVI que seguem o período orbital de 1,5 horas. Esta capacidade estabelece uma forte base tecnológica para pesquisas precisas de matéria escura conduzidas diretamente em órbita.

Expandindo em direção a uma rede de detecção quântica espaço-terrestre

Os sensores quânticos de rotação a bordo da Estação Espacial Chinesa podem fazer muito mais do que procurar interações exóticas. SQUIRE propõe uma rede de detecção quântica “integrada espaço-solo” que liga os detectores orbitais aos da Terra, permitindo uma sensibilidade muito maior em muitos modelos de matéria escura e outras possibilidades 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 dos sensores em órbita aumenta o acoplamento entre os halos dos áxions e as rotações dos núcleons, produzindo uma melhoria de sensibilidade dez vezes maior em comparação com as pesquisas de matéria escura baseadas na Terra. À medida que a China se expande mais profundamente no sistema solar, a abordagem SQUIRE poderá eventualmente empregar planetas distantes como Júpiter e Saturno (por exemplo, planetas ricos em partículas polarizadas) como grandes fontes naturais de spin. Esta visão de longo prazo abre a porta para a exploração da física em escalas cósmicas muito mais amplas.