Los científicos están convirtiendo la Tierra en un detector gigante de las fuerzas ocultas que dan forma a nuestro universo.

Este enfoque sienta las bases para un sistema de detección global e interplanetario que puede revelar partículas y energía ocultas.

Comprender SQUIRE y sus técnicas cuánticas basadas en el espacio

Las interacciones mediadas por bosones extrínsecos se dividen en 16 categorías. 15 de ellos dependen del giro de la partícula y 10 dependen de la velocidad relativa. Estas interacciones pueden producir pequeños cambios en los niveles de energía nuclear, y los sensores de espín cuántico detectan esos cambios como campos pseudomagnéticos. La misión SQUIRE pretende desplegar dichos sensores en plataformas espaciales, incluida la Estación Espacial China, para detectar campos pseudomagnéticos generados por interacciones externas entre los sensores y los geoelectrones de la Tierra. Al combinar el acceso al espacio con herramientas de precisión cuántica, SQUIRE evita una limitación importante de los experimentos terrestres, que luchan por aumentar tanto la velocidad relativa como el número total de espines polarizados al mismo tiempo.

¿Por qué la órbita terrestre baja mejora enormemente la sensibilidad?

Varias características del entorno orbital ofrecen importantes ventajas.

1. La Estación Espacial China viaja en una órbita terrestre baja a 7,67 km/s con respecto a la Tierra, que es aproximadamente la primera velocidad cósmica y unas 400 veces más rápida que la fuente en movimiento típica utilizada en experimentos de laboratorio.
2. La Tierra actúa como una enorme fuente natural de espines polarizados. Los geoelectrones desapareados entre el manto y la corteza, alineados por el campo geomagnético, proporcionan aproximadamente 10⁴² electrones polarizados, superando el potencial del SmCo₅ Fuente de giro de laboratorio en aproximadamente 10¹⁷.
3. El movimiento orbital convierte la firma de interacción externa en una señal periódica. Para la Estación Espacial China (período orbital ~1,5 horas), esto produce una modulación cercana a 0,189 mHz, una región con menos ruido interno que la banda de medición de CC.

Mejora el rendimiento del proyectil en órbita

Con estas ventajas de eficiencia espacial, el concepto SQUIRE permite que las amplitudes del campo externo alcancen los 20 pT incluso dentro de límites estrictos de corriente en la constante de acoplamiento. Esto es dramáticamente más alto que el mejor umbral de detección terrestre de 0,015 pT. Para interacciones dependientes de la velocidad con alcances de bola > 10⁶ m, la sensibilidad del proyectil mejora de 6 a 7 órdenes de magnitud.

Construyendo un sensor de espín cuántico listo para el espacio

La construcción de prototipos de sensores cuánticos es esencial para poner en funcionamiento SQUIRE. El instrumento debe permanecer altamente sensible y estable durante largos períodos de tiempo mientras opera en un entorno orbital desafiante. En el espacio, los sensores de espín se enfrentan a tres fuentes dominantes de interferencia: variaciones en el campo geomagnético, vibraciones mecánicas de la nave espacial y radiación cósmica.

Reducir el ruido y aumentar la estabilidad.

Para superar estos desafíos, el equipo de SQUIRE desarrolló un prototipo utilizando tres innovaciones clave.

1. Sensor de giro dual de gas noble: el dispositivo utiliza ¹²⁹xe y ¹³¹Isótopo Xe con relación giromagnética inversa, lo que le permite cancelar el ruido magnético compartido sin dejar de responder a la señal SSVI. Este método devuelve 10⁴– Suprimir el ruido de plegado. Con un blindaje magnético multicapa, las perturbaciones geomagnéticas caen a niveles subfemtotesla.
2. Tecnología de compensación de vibraciones: un giroscopio de fibra óptica rastrea las vibraciones de la nave espacial y permite una corrección activa, reduciendo el ruido de las vibraciones a aproximadamente 0,65 pies.
3. Arquitectura reforzada contra la radiación: una carcasa de aluminio de 0,5 cm y una triple redundancia modular en su electrónica de control protegen el sistema de los rayos cósmicos. El diseño puede seguir funcionando incluso si fallan dos de los tres módulos, lo que reduce las interrupciones relacionadas con la radiación a menos de una por día.

Sensibilidad en órbita y preparación científica

Al combinar estas tecnologías, el prototipo logra una sensibilidad de disparo único de 4,3 pies a 1165 s, lo que se corresponde bien con la detección de señales SSVI que siguen un período orbital de 1,5 horas. Esta capacidad sienta una sólida base tecnológica para las búsquedas precisas de materia oscura realizadas directamente en órbita.

Ampliación hacia una red de detección cuántica espacio-tierra

Los sensores de giro cuántico a bordo de la estación espacial china pueden hacer mucho más que buscar interacciones extraterrestres. SQUIRE propone una red de detección cuántica “integrada espacio-tierra” que conecta detectores orbitales a la Tierra, lo que permite una mayor sensibilidad en muchos modelos de materia oscura y otras posibilidades más allá del modelo estándar. Estos incluyen interacciones externas adicionales, halos de axiones y estudios de violación de CPT.

Oportunidades futuras en todo el sistema solar

El movimiento de alta velocidad de los sensores en órbita aumenta el acoplamiento entre los halos de axiones y los espines de nucleones, mejorando diez veces la sensibilidad en comparación con las sondas de materia oscura basadas en la Tierra. A medida que China se expanda más profundamente en el Sistema Solar, el método SQUIRE podría eventualmente emplear planetas distantes (es decir, planetas ricos en partículas polarizadas) como Júpiter y Saturno como grandes fuentes de rotación natural. Esta visión a largo plazo abre la puerta a explorar la física en escalas cósmicas mucho más amplias.