Cientistas transformam a Terra em um grande detector de forças ocultas que moldam nosso Universo

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

Entendendo o SQUIRE e Sua Estratégia Quântica Baseada no Espaço

Interações mediadas por bósons exóticos se dividem em 16 categorias. Destas, 15 dependem do spin 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 tais sensores em plataformas espaciais, incluindo a Estação Espacial da China, para procurar pelos campos pseudomagnéticos gerados por interações exóticas entre os sensores e os geoeletros da Terra. Combinando o acesso ao espaço com ferramentas de precisão quântica, o SQUIRE evita uma limitação significativa dos experimentos em solo, que lutam para aumentar simultaneamente tanto a velocidade relativa quanto o número total de spins polarizados.

Por que a Órbita Baixa da Terra Melhora Significativamente a Sensibilidade

Várias características do ambiente orbital oferecem vantagens significativas.

1. A Estação Espacial da China viaja em órbita baixa terrestre a 7,67 km/s em relação à Terra, quase a primeira velocidade cósmica e cerca de 400 vezes mais rápida do que fontes em movimento típicas usadas em testes de laboratório.
2. A Terra atua como uma enorme fonte natural de spins polarizados. Os geoeletros não emparelhados dentro do manto e da crosta, alinhados pelo campo geomagnético, fornecem cerca de 10⁴² elétrons polarizados, superando as capacidades das fontes de spin de SmCo₅ em laboratório por aproximadamente 10¹⁷.
3. O movimento orbital transforma assinaturas de interações exóticas em sinais periódicos. Para a Estação Espacial da China (período orbital ~1,5 horas), isso produz modulações próximas a 0,189 mHz, uma região com menor ruído intrínseco do que as bandas de medição DC.

Aumentos de Desempenho Projetados em Órbita

Com esses benefícios habilitados pelo espaço, o conceito SQUIRE permite que amplitudes de campo exóticas cheguem a até 20 pT, mesmo sob rígidos limites atuais sobre constantes de acoplamento. Isso é dramaticamente mais alto do que o melhor limite de detecção terrestre de 0,015 pT. Para interações dependentes da velocidade com intervalos de força >10⁶ m, a sensibilidade projetada melhora em 6 a 7 ordens de magnitude.

Desenvolvendo um Sensor de Spin Quântico Preparado para o Espaço

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

Reduzindo Ruído e Aumentando a Estabilidade

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

1. Sensor de Spin de Gás Nobre Duplo: O dispositivo utiliza os isótopos ¹²⁹Xe e ¹³¹Xe com razões giromagnéticas opostas, o que permite cancelar o ruído magnético compartilhado enquanto permanece responsivo aos sinais de SSVI. Essa abordagem proporciona uma supressão de ruído de 10⁴ vezes. Com um escudo magnético de múltiplas camadas, as perturbações geomagnéticas 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, reduzindo o ruído de vibração para cerca de 0,65 fT.
3. Arquitetura Resistente à Radiação: Um revestimento de alumínio de 0,5 cm e redundância modular tripla em sua eletrônica de controle protegem o sistema contra raios cósmicos. O design pode continuar a funcionar 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

Combinando essas tecnologias, o protótipo alcança uma sensibilidade de medição única de 4,3 fT @ 1165 s, que é bem adequada para detectar sinais de SSVI que seguem o período orbital de 1,5 horas. Essa capacidade estabelece uma base tecnológica sólida para pesquisas de matéria escura de precisão realizadas diretamente em órbita.

Expandindo Rumo a uma Rede de Sensing Quântico Espaço-Solo

Os sensores de spin quântico a bordo da Estação Espacial da China podem fazer muito mais do que buscar interações exóticas. O SQUIRE propõe uma rede de sensoriamento quântico “integrada espaço-solo” que conecta detectores orbitais com aqueles na Terra, permitindo uma sensibilidade muito maior para numerosos modelos de matéria escura e outras possibilidades além do Modelo Padrão. Isso inclui interações exóticas adicionais, halos de Axions e estudos de violação de CPT.

Oportunidades Futuras em Todo o Sistema Solar

O movimento rápido dos sensores em órbita aumenta o acoplamento entre halos de axions e spins de nucleons, produzindo uma melhoria de sensibilidade dez vezes superior em comparação com buscas de matéria escura baseadas na Terra. À medida que a China se expande mais profundamente no sistema solar, a abordagem SQUIRE pode eventualmente empregar planetas distantes como Júpiter e Saturno (por exemplo, planetas ricos em partículas polarizadas) como grandes fontes naturais de spin. Essa visão de longo prazo abre a porta para explorar a física em escalas cósmicas muito mais amplas.