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

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

Entendendo o SQUIRE e sua Estratégia Quântica Baseada no Espaço

As interações mediadas por bosons exóticos se dividem em 16 categorias. Destas, 15 dependem do spin das partículas e 10 dependem da velocidade relativa. Essas interações podem produzir pequenas variações nos níveis de energia atômica, e os sensores de spin quântico detectam essas variações como campos pseudomagnéticos. A missão SQUIRE pretende colocar tais sensores em plataformas espaciais, incluindo a Estação Espacial Chinesa, para buscar 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 limitação significativa dos experimentos em solo, que lutam para aumentar tanto a velocidade relativa quanto o número total de spins polarizados simultaneamente.

Por que a Baixa Orbitabilidade Melhora Significativamente a Sensibilidade

Várias características do ambiente orbital proporcionam fortes vantagens.

1. A Estação Espacial Chinesa viaja em baixa órbita terrestre a 7,67 km/s em relação à Terra, quase na 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. Os geoelétrons desaparelhados dentro do manto e da crosta, alinhados pelo campo geomagnético, fornecem cerca de 10⁴² elétrons polarizados, superando as capacidades das fontes de spins laboratoriais de SmCo₅ em aproximadamente 10¹⁷.
3. A movimentação orbital transforma assinaturas de interações exóticas em sinais periódicos. Para a Estação Espacial Chinesa (período orbital ~1,5 horas), isso produz modulação próxima a 0,189 mHz, uma região com menor ruído intrínseco do que os bandeamentos de medidas DC.

Aumentos de Desempenho Projetados em Órbita

Com esses benefícios habilitados pelo espaço, o conceito SQUIRE permite que amplitudes de campo exóticas atinjam até 20 pT, mesmo sob limites atuais rigorosos em 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.

Construindo um Sensor de Spin Quântico Pronto para o Espaço

Desenvolver o 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 utilizando três inovações principais.

1. Sensor de Spin de Gás Nobre Dual: O dispositivo usa os isótopos ¹²⁹Xe e ¹³¹Xe com razões giromagnéticas opostas, o que permite cancelar o ruído magnético compartilhado enquanto permanece responsivo a sinais SSVI. Essa abordagem proporciona uma supressão de ruído de 10⁴ vezes. Com blindagem magnética em múltiplas camadas, as perturbações geomagnéticas caem para o nível sub-femtotesla.
2. Tecnologia de Compensação de Vibrações: Um giroscópio de fibra óptica rastreia as vibrações da espaçonave e permite correção ativa, reduzindo o ruído de vibração para cerca de 0,65 fT.
3. Arquitetura Resistentes à Radiação: Um invólucro de alumínio de 0,5 cm e a redundância modular tripla em sua eletrônica de controle protegem o sistema contra raios cósmicos. O design pode continuar funcionando mesmo se dois dos três módulos falharem, reduzindo 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 disparo único de 4,3 fT @ 1165 s, que está bem alinhada para detectar sinais 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 para uma Rede de Sensing Quântico Espaço-Solo

Os sensores de spin quântico a bordo da Estação Espacial Chinesa podem fazer muito mais do que buscar interações exóticas. O SQUIRE propõe uma rede de sensores quânticos “integrados espaço-solo” que conecta detectores orbitais com aqueles na Terra, permitindo uma sensibilidade muito maior em vários 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

A alta velocidade dos sensores em órbita aumenta o acoplamento entre halos de axions e spins de nucleons, produzindo uma melhoria de sensibilidade dez vezes maior em comparação com pesquisas de matéria escura baseadas na Terra. À medida que a China se expande mais fundo 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.