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

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

Compreendendo o SQUIRE e suas técnicas quânticas baseadas no espaço

As interações mediadas por bósons extrínsecos se enquadram em 16 categorias. 15 deles dependem do spin da partícula e 10 dependem da velocidade relativa. Essas interações podem produzir pequenas mudanças nos níveis de energia nuclear, e os sensores de spin quântico detectam essas mudanças como campos pseudomagnéticos. A missão SQUIRE pretende implantar tais sensores em plataformas espaciais, incluindo a Estação Espacial da China, para detectar campos pseudomagnéticos gerados por interações externas 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 baixa da Terra 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, que é aproximadamente a primeira velocidade cósmica e cerca de 400 vezes mais rápida do que a fonte móvel típica usada em experimentos de laboratório.
2. A Terra atua como uma enorme fonte natural de spins polarizados. Geoelétrons desemparelhados entre o manto e a crosta, alinhados pelo campo geomagnético, fornecem aproximadamente 10⁴² elétrons polarizados, superando o potencial do SmCo₅ Fonte de rotação de laboratório em cerca de 10¹⁷.
3. O movimento orbital transforma a assinatura de interação externa em um sinal periódico. Para a Estação Espacial da China (período orbital de aproximadamente 1,5 horas), isso produz modulação próxima de 0,189 MHz, uma região com menos ruído interno do que a banda de medição DC.

Ganhos de desempenho de projéteis em órbita

Com essas vantagens de eficiência de espaço, o conceito SQUIRE permite que amplitudes de campo externo atinjam 20 pT mesmo dentro de limites rígidos de corrente na constante de acoplamento. Isto é dramaticamente superior ao melhor limite de detecção terrestre de 0,015 pT. Para interações dependentes da velocidade com alcances de bola> 10⁶ m, a sensibilidade do projétil melhora em 6 a 7 ordens de magnitude.

Construindo um sensor de rotação quântica pronto para o espaço

Construir protótipos de sensores quânticos é essencial para colocar o SQUIRE em operação. O instrumento deve permanecer altamente sensível e estável por longos períodos de tempo enquanto opera em um ambiente orbital desafiador. No espaço, os sensores de rotação enfrentam três fontes dominantes de interferência: variações no campo geomagnético, vibrações mecânicas da espaçonave e radiação cósmica.

Reduza o ruído e aumente a estabilidade

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

1. Sensor duplo de rotação de gás nobre: ​​o dispositivo usa ¹²⁹Xe e ¹³¹Isótopo Xe com razão giromagnética inversa, que permite cancelar o ruído magnético compartilhado enquanto permanece responsivo ao sinal SSVI. Este método retorna 10⁴-Supressão de ruído de dobramento. Com a blindagem magnética multicamadas, as perturbações geomagnéticas caem para níveis 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: Um invólucro de alumínio de 0,5 cm e redundância modular tripla em sua eletrônica de controle protegem o sistema dos raios cósmicos. O projeto pode continuar a operar 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, o que corresponde bem à detecção de sinais SSVI que seguem um período orbital de 1,5 horas. Esta capacidade estabelece uma base tecnológica sólida para pesquisas precisas de matéria escura conduzidas diretamente em órbita.

Expandindo para uma rede de detecção quântica espaço-solo

Sensores quânticos de rotação a bordo da estação espacial chinesa podem fazer muito mais do que procurar interações extraterrestres. SQUIRE propõe uma rede de detecção quântica “integrada espaço-solo” que conecta detectores orbitais à Terra, permitindo maior sensibilidade em muitos modelos de matéria escura e outras possibilidades além do modelo padrão. Estes incluem interações externas adicionais, halos de axions 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, melhorando dez vezes a sensibilidade em relação às sondas de matéria escura baseadas na Terra. À medida que a China se expande mais profundamente no Sistema Solar, o método SQUIRE poderá eventualmente empregar planetas distantes (ou seja, planetas ricos em partículas polarizadas), como Júpiter e Saturno, como grandes fontes de rotação natural. Esta visão de longo prazo abre a porta para a exploração da física em escalas cósmicas muito mais amplas.