Размещение сверхчувствительных квантовых спиновых сенсоров на околоземной орбите открывает беспрецедентные возможности для обнаружения экзотических физических явлений. Проект SQUIRE (Space-based Quantum Interferometer for Relativistic Effects) призван значительно улучшить нашу способность улавливать сигналы новой физики, предлагая многократное увеличение чувствительности по сравнению с наземными экспериментами.
Этот новаторский подход закладывает основу для создания глобальной, а в перспективе и межпланетной, системы зондирования, которая сможет обнаружить ранее неизвестные частицы и фундаментальные силы, расширяя наше понимание Вселенной.
В основе проекта SQUIRE лежит поиск экзотических взаимодействий, опосредованных бозонами – частицами-переносчиками силы, которые могут раскрыть новые аспекты мироздания. Эти взаимодействия подразделяются на 16 категорий, причем 15 из них зависят от спина частиц, а 10 – от их относительной скорости. Такие взаимодействия могут вызывать едва уловимые сдвиги в энергетических уровнях атомов, которые квантовые спиновые сенсоры способны зарегистрировать как так называемые псевдомагнитные поля. Миссия SQUIRE планирует разместить эти высокоточные сенсоры на космических платформах, включая Китайскую космическую станцию. Основная задача – обнаружить псевдомагнитные поля, возникающие в результате экзотических взаимодействий между сенсорами и геоэлектронами Земли. Комбинируя преимущества космического пространства с точностью квантовых инструментов, SQUIRE обходит ключевое ограничение наземных экспериментов, где крайне сложно одновременно увеличить как относительную скорость, так и общее количество поляризованных спинов.
Низкая околоземная орбита предлагает несколько значительных преимуществ для столь деликатных измерений. Прежде всего, Китайская космическая станция движется со скоростью около 7,67 километра в секунду относительно Земли, что близко к первой космической скорости и примерно в 400 раз быстрее типичных движущихся источников, используемых в лабораторных условиях. Во-вторых, сама Земля выступает в качестве колоссального природного источника поляризованных спинов. Неспаренные геоэлектроны, находящиеся в мантии и коре Земли и выровненные геомагнитным полем, обеспечивают приблизительно 10^42 поляризованных электронов. Это примерно на 10^17 порядков превосходит возможности лабораторных источников спина, таких как SmCo5. Наконец, орбитальное движение превращает сигналы экзотических взаимодействий в периодические колебания. Для Китайской космической станции, имеющей орбитальный период около 1,5 часов, это создает модуляцию с частотой около 0,189 миллигерц. Этот частотный диапазон характеризуется более низким уровнем внутреннего шума по сравнению с диапазонами постоянного тока, что значительно облегчает обнаружение слабых сигналов.
Благодаря этим космическим преимуществам концепция SQUIRE позволяет обнаруживать амплитуды экзотических полей до 20 пикотесла даже при самых строгих текущих ограничениях на константы связи. Это существенно выше лучшего существующего наземного порога обнаружения, который составляет всего 0,015 пикотесла. Для взаимодействий, зависящих от скорости и имеющих радиус действия более 10^(-4) метра, прогнозируемая чувствительность улучшается на 6–7 порядков величины, что является колоссальным прорывом в фундаментальных исследованиях.
Для успешной реализации миссии SQUIRE критически важна разработка прототипа квантового сенсора, способного функционировать в суровых условиях космоса. Инструмент должен сохранять исключительную чувствительность и стабильность в течение длительного времени, несмотря на многочисленные вызовы орбитальной среды. В космосе спиновые сенсоры сталкиваются с тремя основными источниками помех: колебания геомагнитного поля, механические вибрации самого космического аппарата и космическое излучение.
Для преодоления этих трудностей команда SQUIRE разработала прототип, включающий три ключевые инновации. Во-первых, был создан двойной спиновый сенсор на благородных газах, использующий изотопы ксенона-129 (129Xe) и ксенона-131 (131Xe) с противоположными гиромагнитными отношениями. Это позволяет устройству компенсировать общий магнитный шум, одновременно оставаясь чувствительным к сигналам SSVI (спин-спиновых взаимодействий). Такой подход обеспечивает 10^4-кратное подавление шума, а в сочетании с многослойным магнитным экранированием геомагнитные помехи снижаются до субфемтотеслового уровня. Во-вторых, внедрена технология компенсации вибраций: волоконно-оптический гироскоп отслеживает вибрации космического аппарата и обеспечивает активную коррекцию, снижая вибрационный шум примерно до 0,65 фемтотесла. В-третьих, разработана радиационно-стойкая архитектура. Алюминиевый корпус толщиной 0,5 сантиметра и тройное модульное резервирование в управляющей электронике защищают систему от космических лучей. Такая конструкция позволяет прибору продолжать работу даже в случае отказа двух из трех модулей, сокращая перебои, связанные с радиацией, до менее одного в день.
Объединение этих технологий позволило прототипу достичь однократной чувствительности в 4,3 фемтотесла при времени измерения 1165 секунд. Этот показатель хорошо соответствует требованиям для обнаружения сигналов SSVI, следующих орбитальному периоду в 1,5 часа. Такая возможность закладывает прочную технологическую основу для высокоточных поисков темной материи, проводимых непосредственно на орбите.
Квантовые спиновые сенсоры на борту Китайской космической станции способны на значительно большее, чем просто поиск экзотических взаимодействий. Проект SQUIRE предлагает создание «космическо-наземной интегрированной» квантовой сенсорной сети, которая объединит орбитальные детекторы с наземными. Это позволит достичь гораздо большей чувствительности в исследованиях множества моделей темной материи и других потенциальных явлений, выходящих за рамки Стандартной модели физики. В их число входят дополнительные экзотические взаимодействия, исследования гало аксионов и проверки нарушения CPT-симметрии.
Высокая скорость движения орбитальных сенсоров значительно увеличивает связь между гало аксионов и спинами нуклонов, обеспечивая десятикратное улучшение чувствительности по сравнению с наземными поисками темной материи. По мере того как Китай расширяет свое присутствие в Солнечной системе, подход SQUIRE может в конечном итоге использовать отдаленные планеты, такие как Юпитер и Сатурн, богатые поляризованными частицами, в качестве гигантских природных источников спина. Это долгосрочное видение открывает двери для изучения физики в гораздо более широких космических масштабах, обещая революционные открытия в ближайшем будущем.
