Cientistas estão transformando a Terra em uma sonda gigante das forças ocultas que moldam o universo

Esta abordagem estabelece as bases para sistemas de detecção globais e interplanetários que poderiam revelar partículas e forças ocultas.

Saiba mais sobre o SQUIRE e suas estratégias quânticas baseadas no espaço

Interações estranhas mediadas por bósons são divididas em 16 categorias. Destes, 15 dependem do spin da partícula e 10 dependem da velocidade relativa. Essas interações podem produzir pequenas mudanças nos níveis de energia atômica, que os sensores de spin quântico detectam como campos pseudomagnéticos. A missão SQUIRE pretende colocar tais sensores em plataformas espaciais, incluindo a Estação Espacial Chinesa, para procurar campos pseudomagnéticos gerados por estranhas interações entre os sensores e os eletrões 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 simultaneamente a velocidade relativa e o número total de spins polarizados.

Por que a órbita baixa da Terra melhora muito a sensibilidade

Várias características do ambiente orbital oferecem vantagens poderosas.

1. A estação espacial chinesa viaja em órbita baixa da Terra a uma velocidade de 7,67 quilómetros/segundo em relação à Terra, próxima da primeira velocidade cósmica e cerca de 400 vezes mais rápida do que as fontes móveis típicas utilizadas em testes de laboratório.
2. A Terra é uma enorme fonte natural de spins polarizados. Elétrons desemparelhados no manto e na crosta terrestre, alinhados pelo campo magnético terrestre, fornecem aproximadamente 10⁴² Elétrons polarizados, além das capacidades do samário-cobalto₅ As fontes de rotação de laboratório são cerca de 10^{Nº 17}.
3. O movimento orbital converte características de interação exóticas em sinais periódicos. Para a estação espacial chinesa (período orbital de aproximadamente 1,5 horas), isto resulta numa modulação próxima de 0,189 MHz, uma região onde o ruído inerente é inferior à banda de medição DC.

Melhorias esperadas de desempenho em órbita

Com essas vantagens espaciais, o conceito SQUIRE permite amplitudes de campo singulares de até 20 pT, mesmo sob estritas limitações de corrente de constantes de acoplamento. Isto é significativamente superior ao limite ideal de detecção de solo de 0,015 pT. Para interações dependentes da velocidade com faixas de força> 10⁶ m, são esperadas melhorias de sensibilidade de 6 a 7 ordens de magnitude.

Construindo um sensor de rotação quântica para o espaço

O desenvolvimento do protótipo do sensor quântico é fundamental para colocar o SQUIRE em operação. O instrumento deve permanecer extremamente sensível e estável durante longas operações em ambientes orbitais desafiadores. No espaço, os sensores de rotação encontram três fontes principais de interferência: mudanças no campo geomagnético, vibrações mecânicas da espaçonave e radiação cósmica.

Reduza o ruído e melhore a estabilidade

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

1. Sensor rotativo duplo de gás inerte: este dispositivo usa ¹²⁹Xenônio e ¹³¹O isótopo Xe possui uma relação giromagnética oposta, o que permite eliminar o ruído magnético compartilhado enquanto mantém a resposta ao sinal SSVI. Este método fornece 10⁴– Supressão de ruído múltiplo. Através da blindagem magnética multicamadas, a interferência geomagnética pode ser reduzida a níveis sub-femtela.
2. Tecnologia de compensação de vibração: Os giroscópios de fibra óptica rastreiam as vibrações da espaçonave e alcançam correção ativa, reduzindo o ruído de vibração para aproximadamente 0,65 pés.
3. Arquitetura Radiation Hard: A caixa de alumínio de 0,5 cm e a redundância modular tripla na 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 alcançou uma sensibilidade de disparo único de 4,3 fT a 1165 s, o que se aproxima da detecção de sinais SSVI após um período orbital de 1,5 horas. Esta capacidade estabelece uma base técnica sólida para pesquisas precisas de matéria escura diretamente em órbita.

Expandindo redes de detecção quântica para o céu e a terra

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 ar-solo” que conecta detectores em órbita com detectores na Terra, permitindo maior sensibilidade em muitos modelos de matéria escura e outras possibilidades de modelos além do padrão. Isso inclui pesquisas adicionais de Strange Interactions, Axion Halo e CPT Violation.

Oportunidades futuras em todo o sistema solar

O movimento de alta velocidade do sensor em órbita aumenta o acoplamento entre os halos dos áxions e os spins nucleares, aumentando a sensibilidade dez vezes em comparação com as pesquisas de matéria escura na Terra. À medida que a China se expande mais profundamente no sistema solar, o método SQUIRE pode eventualmente empregar planetas distantes como Júpiter e Saturno, que são ricos em partículas polarizadas, como grandes fontes naturais de spin. Esta visão de longo prazo abre a porta para a exploração da física numa escala cósmica mais ampla.