Cientistas transformam o Planeta em um enorme sensor para forças ocultas que moldam nosso Universo.

Essa abordagem estabelece a base 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 bósons exóticos se dividem em 16 categorias. Dessas, 15 dependem do spin das partículas e 10 dependem da velocidade relativa. Essas interações podem produzir pequenas alterações nos níveis de energia atômica, e os sensores de spin quântico detectam essas alterações 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 geoeletros da Terra. Ao combinar acesso ao espaço com ferramentas de precisão quântica, o SQUIRE evita uma grande limitação dos experimentos em solo, que têm dificuldades em aumentar simultaneamente tanto a velocidade relativa quanto o número total de spins polarizados.

Por Que a Baixa Órbita Terrestre Melhora Consideravelmente a Sensibilidade

Várias características do ambiente orbital oferecem vantagens significativas.

1. A Estação Espacial Chinesa viaja em baixa órbita 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 móveis típicas usadas em testes laboratoriais.
2. A Terra atua como uma enorme fonte natural de spins polarizados. Os geoeletros desempregados dentro do manto e da crosta, alinhados pelo campo geomagnético, fornecem aproximadamente 10⁴² elétrons polarizados, superando as capacidades das fontes de spin SmCo₅ de laboratório em cerca de 10¹⁷.
3. A movimentação orbital transforma as 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 as faixas de medição DC.

Ganhos de Performance Projetados em Órbita

Com esses benefícios proporcionados pelo espaço, o conceito do SQUIRE permite que as amplitudes de campo exóticas alcancem até 20 pT, mesmo sob limites rigorosos 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 faixas de força >10¹⁰ 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 por 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 utiliza isótopos ¹²⁹Xe e ¹³¹Xe com razões giromagnéticas opostas, permitindo cancelar o ruído magnético compartilhado enquanto permanece responsivo aos sinais SSVI. Essa abordagem proporciona uma supressão de ruído de 10⁴ vezes. Com o uso de 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 possibilita correção ativa, trazendo o ruído de vibração para cerca de 0,65 fT.
3. Arquitetura Resistente à Radiação: Uma estrutura 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 funcionando mesmo se dois dos três módulos falharem, reduzindo interrupções relacionadas à radiação a menos de uma por dia.

Sensibilidade em Órbita e Prontidão Científica

Combinando essas tecnologias, o protótipo alcança uma sensibilidade em uma única medição de 4,3 fT @ 1165 s, que se alinha bem com a detecção de sinais SSVI que seguem o período orbital de 1,5 horas. Essa capacidade estabelece uma base tecnológica forte para buscas de matéria escura em precisão realizadas diretamente em órbita.

Expansão Rumo a uma Rede de Sensoriamento Quântico Espaço-Terra

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 sensoriamento quântico “integrada espaço-terra” que conecta detectores orbitais com aqueles na Terra, permitindo uma sensibilidade muito maior em muitos modelos de matéria escura e outras possibilidades além do Modelo Padrão. Isso inclui interações exóticas adicionais, halos de axion e estudos de violação de CPT.

Oportunidades Futuras pelo Sistema Solar

A movimentação rápida dos sensores em órbita aumenta o acoplamento entre halos de axion e spins nucleônicos, produzindo uma melhoria de sensibilidade dez vezes maior em comparação com buscas de matéria escura baseadas na Terra. À medida que a China avança 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 as portas para a exploração da física em escalas cósmicas muito mais amplas.