SQUIRE е авангарден изследователски проект, който има за цел да открива екзотични зависими от спина взаимодействия. Той използва квантови сензори, разположени в космоса, където скоростта и условията на околната среда значително подобряват чувствителността. Орбиталните сензори използват от Земята като огромен естествен източник на поляризирани частици и се възползват от нискошумова периодична модулация на сигнала.
Прототип с усъвършенствано шумопотискане и радиационно-устойчив инженерен дизайн вече демонстрира, че е с порядъци по-добър в откриването на екзотични физични сигнали от частици и сили. Дългосрочната цел на проекта е мощна мрежа между космоса и Земята, способна да изследва тъмната материя и други явления отвъд Стандартния модел.
Ролята на SQUIRE и неговата космическа квантова стратегия
Взаимодействията, медиирани от екзотични бозони, попадат в 16 категории. От тях 15 зависят от спина на частиците, а 10 - от относителната скорост.
Тези взаимодействия могат да доведат до малки промени в нивата на атомната енергия, а квантовите спинови сензори откриват тези промени като псевдомагнитни полета.
Мисията SQUIRE възнамерява да разположи такива сензори на космически платформи, включително Китайската космическа станция, за да търси псевдомагнитни полета, генерирани от екзотични взаимодействия между сензорите и електроните с произход Земята. Чрез комбиниране на достъпа до космоса с квантово прецизни инструменти, SQUIRE избягва едно основно ограничение на наземните експерименти, които се борят да увеличат едновременно както относителната скорост, така и общия брой поляризирани спинове.
Защо ниската земна орбита значително подобрява чувствителността
Няколко характеристики на орбиталната среда осигуряват силни предимства.
- Китайската космическа станция се движи в ниска околоземна орбита със 7,67 км/сек спрямо Земята, което е почти първата космическа скорост и около 400 пъти по-бързо от типичните движещи се източници, използвани в лабораторни тестове.
- Земята действа като огромен естествен източник на поляризирани спинове. Несдвоените геоелектрони в мантията и кората, подредени от геомагнитното поле, доставят приблизително 1042 поляризирани електрона, надвишавайки възможностите на лабораторните спинови източници на SmCo5 с приблизително 1017.
- Орбиталното движение превръща екзотичните сигнали на взаимодействие в периодични сигнали. За китайската космическа станция (орбитален период ~1,5 часа) това води до модулация близо до 0,189 mHz, област с по-нисък вътрешен шум отколкото измервателните ленти на постоянвн ток.
Прогнозирано подобрение на производителността в орбита
Тези характеристики подчертават предимството на пространството: то не само усилва сигнала, но и го модулира в откриваема форма. Симулациите предвиждат екзотични амплитуди на амплитудите на екзотичните полета до 20 pT. Това е драстично по-високо от най-добрия наземен праг за откриване от 0,015 pT.
При консервативна оценка на чувствителността за космически спинов сензор
и планирана продължителност на откриване от 100 дни, схемата SQUIRE подобрява чувствителността на търсенето за всички екзотични сигнали с 6–7 порядъка. Подобно подобрение е физически непостижимо на Земята - възпроизвеждането на чувствителността на SQUIRE би изисквало земни спинови източници, движещи се със свръхсветлинни скорости.
Изграждане на квантов спинов сензор, готов за космически приложения
Разработването на прототипа на квантов сензор е от съществено значение за пускането в експлоатация на SQUIRE. Инструментът трябва да остане изключително чувствителен и стабилен за дълги периоди от време, докато работи в суровата орбитална среда. В космоса спиновите сензори се сблъскват с три доминиращи източника на смущения: вариации в геомагнитното поле, механични вибрации на космическия кораб и космическа радиация.
Намаляване на шума и повишаване на стабилността
За да преодолее тези предизвикателства, екипът на SQUIRE създава прототип, използвайки три основни иновации.
- Двоен спинов сензор с благородни газове: Устройството използва изотопи 129 Xe и 131 Xe с противоположни жиромагнитни съотношения, което му позволява да елиминира споделения магнитен шум, като същевременно остава чувствително към сигнали от екзотични, зависими от спина, взаимодействия. Този подход осигурява 109 пъти по-малък шум. С многослойно магнитно екраниране геомагнитните смущения спадат до ниво под фемтотесла (ftT).
- Технология за компенсация на вибрациите: Оптичен жироскоп проследява вибрациите на космическия кораб и позволява активна корекция, като по този начин шумът от вибрациите достига приблизително 0,65 ftT.
- Радиационно-устойчива архитектура: Алуминиев корпус с дебелина 0,5 см и управляващата електроника защитна система от космически лъчи. Дизайнът може да продължи да функционира, дори ако два от трите модула се повредят, което намалява прекъсванията, свързани с радиацията, до по-малко от едно на ден.
Чувствителност на орбита и научна готовност
Чрез комбиниране на тези технологии, прототипът постига чувствителност при единичен импулс от 4,3 fT на 1165 s, което е добре съобразено аз откриване на сигнали от екзотични, зависими от спина, взаимодействия, следващи 1,5-часовия орбитален период. Тази способност установява солидна технологична основа за прецизно търсене на тъмна материя, провеждано директно в орбита.
Разширяване към мрежа от квантови сензори между космоса и земята
Квантовите спинови сензори на борда на Китайската космическа станция могат да направят много повече от търсене на екзотични взаимодействия. SQUIRE предлага "интегрирана космическо-земна" квантова сензорна мрежа, която свързва орбиталните детектори с тези на Земята, позволявайки много по-голяма чувствителност в много модели на тъмна материя и други възможности извън Стандартния модел. Те включват допълнителни екзотични взаимодействия, аксионни ореоли и изследвания на нарушенията на CPT.
Бъдещи възможности в цялата Слънчева система
Високоскоростното движение на орбиталните сензори увеличава връзката между аксионните ореоли и нуклонните спинове, което води до десетократно подобрение на чувствителността в сравнение с търсенията на тъмна материя, базирани на Земята. С разширяването на Китай все повече в Слънчевата система, подходът SQUIRE може евентуално да използва далечни планети като Юпитер и Сатурн (напр. планети, богати на поляризирани частици) като големи естествени източници на спин. Тази дългосрочна визия отваря вратата за изследване на физиката в много по-широки космически мащаби.
Справка: Yuanhong Wang, Xingming Huang, Min Jiang, Qing Lin, Wenqiang Zheng, Yuan Sun, Liang Liu, Xinhua Peng, Zhengguo Zhao, Jiangfeng Du. Quantum sensors in space: unveiling the invisible universe. National Science Review, 2025; 12 (10) DOI: 10.1093/nsr/nwaf389
Източник: Scientists are turning Earth into a giant detector for hidden forces shaping our Universe, Science China Press, ScienceDaily
Още по темата
Физика
Гордиевият възел на космологията - асиметрията на материята и антиматерията - може да бъде разсечен
Физика
Как експеримент с плазмено огнено кълбо в ЦЕРН поставя пукнатини в Стандартния модел
Физика
Тъмната материя не се противопоставя на гравитацията
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
Прост Човек
Последната теорема на Стивън Хокинг преобръща времето и причинността
Прост Човек
Разрязването на фотон на две създава безкраен рояк от частици
zlatkov
Учени сканират 74 милиона радиосигнала от междузвезден обект за признаци на извънземни технологии
Джендо Джедев
За срещата на Земята с Халеевата комета през 1910 г. някои са пили "противокометни хапчета"