과학자들은 지구를 우주를 형성하는 숨겨진 힘을 탐지하는 거대한 탐지기로 바꾸고 있습니다.

이 접근 방식은 숨겨진 입자와 힘을 밝힐 수 있는 전역 및 행성 간 감지 시스템의 토대를 마련합니다.

SQUIRE와 우주 기반 양자 전략 이해

이국적인 보존(Exotic-boson) 매개 상호작용은 16가지 범주로 분류됩니다. 이 중 15개는 입자 스핀에 의존하고 10개는 상대 속도에 의존합니다. 이러한 상호 작용은 원자 에너지 수준에 작은 변화를 일으킬 수 있으며, 양자 스핀 센서는 이러한 변화를 유사 자기장으로 감지합니다. SQUIRE 임무는 이러한 센서를 중국 우주 정거장을 포함한 우주 플랫폼에 배치하여 센서와 지구의 지전자 사이의 이국적인 상호 작용에 의해 생성된 의사 자기장을 찾는 것을 목표로 합니다. SQUIRE는 공간 접근과 양자 정밀 도구를 결합함으로써 상대 속도와 총 편극 스핀 수를 동시에 증가시키는 데 어려움을 겪는 지상 실험의 주요 제한을 피합니다.

저궤도가 감도를 크게 향상시키는 이유

궤도 환경의 여러 특징은 강력한 이점을 제공합니다.

1. 중국 우주 정거장은 지구에 대해 7.67km/s의 낮은 지구 궤도로 이동합니다. 이는 거의 최초의 우주 속도이며 실험실 테스트에 사용되는 일반적인 이동원보다 약 400배 빠릅니다.
2. 지구는 극성 스핀의 거대한 천연 원천 역할을 합니다. 지자기장에 의해 정렬된 맨틀과 지각 내의 짝을 이루지 않은 지전자는 대략 10⁴² SmCo의 능력을 뛰어넘는 분극전자₅ 실험실 스핀 소스가 약 10배 증가했습니다.¹⁷.
3. 궤도 운동은 이국적인 상호 작용 신호를 주기적인 신호로 바꿉니다. 중국 우주 정거장(궤도 주기 ~1.5시간)의 경우 이는 DC 측정 대역보다 고유 잡음이 낮은 영역인 0.189mHz 근처의 변조를 생성합니다.

궤도에서의 예상 성능 향상

이러한 공간 활용 이점을 통해 SQUIRE 개념을 사용하면 결합 상수에 대한 엄격한 전류 제한 하에서도 이국적인 필드 진폭이 최대 20pT에 도달할 수 있습니다. 이는 최고의 지상 감지 임계값인 0.015pT보다 훨씬 더 높습니다. 힘 범위가 >10⁶m인 속도 의존적 ​​상호 작용의 경우 예상 감도는 6~7배 향상됩니다.

우주용 양자 스핀 센서 구축

SQUIRE를 실행하려면 프로토타입 양자 센서를 개발하는 것이 필수적입니다. 장비는 까다로운 궤도 환경에서 작동하는 동안 장기간에 걸쳐 매우 민감하고 안정적인 상태를 유지해야 합니다. 우주에서 스핀 센서는 지자기장의 변화, 우주선의 기계적 진동, 우주 방사선이라는 세 가지 주요 간섭 소스에 직면합니다.

소음 감소 및 안정성 향상

이러한 문제를 극복하기 위해 SQUIRE 팀은 세 가지 주요 혁신을 사용하여 프로토타입을 만들었습니다.

1. 듀얼 노블가스 스핀 센서: 장치는 다음을 사용합니다. ¹²⁹Xe와 ¹³¹자이로자기 비율이 반대인 Xe 동위원소를 사용하면 SSVI 신호에 대한 반응을 유지하면서 공유 자기 노이즈를 제거할 수 있습니다. 이 접근 방식은 10가지를 제공합니다.⁴-배 소음 억제. 다층 자기 차폐를 사용하면 지자기 교란이 펨토테슬라 미만 수준으로 떨어집니다.
2. 진동 보상 기술: 광섬유 자이로스코프는 우주선 진동을 추적하고 능동적 교정을 가능하게 하여 진동 소음을 약 0.65fT로 가져옵니다.
3. 방사선 강화 아키텍처: 0.5cm 알루미늄 인클로저와 제어 전자 장치의 3중 모듈식 이중화가 시스템을 우주 광선으로부터 보호합니다. 이 설계는 세 개의 모듈 중 두 개가 고장나더라도 계속 작동할 수 있으므로 방사선 관련 중단을 하루에 한 번 미만으로 줄일 수 있습니다.

궤도상 감도 및 과학적 준비

이러한 기술을 결합함으로써 프로토타입은 1.5시간 궤도 주기를 따르는 SSVI 신호를 감지하는 데 잘 맞는 4.3fT @ 1165s의 단발 감도를 달성합니다. 이 능력은 궤도에서 직접 수행되는 정밀 암흑물질 검색을 위한 강력한 기술 기반을 구축합니다.

우주-지상 양자 감지 네트워크로 확장

중국 우주 정거장에 탑재된 양자 스핀 센서는 이국적인 상호 작용을 검색하는 것보다 훨씬 더 많은 일을 할 수 있습니다. SQUIRE는 궤도 탐지기와 지구 탐지기를 연결하는 “우주 지상 통합” 양자 감지 네트워크를 제안하여 많은 암흑 물질 모델과 기타 표준 모델을 넘어서는 가능성에 걸쳐 훨씬 더 높은 감도를 가능하게 합니다. 여기에는 추가적인 이국적인 상호 작용, Axion 후광 및 CPT 위반 연구가 포함됩니다.

태양계 전반의 미래 기회

궤도를 도는 센서의 고속 움직임은 축후광과 핵자 스핀 사이의 결합을 증가시켜 지구 기반 암흑 물질 검색에 비해 감도가 10배 향상됩니다. 중국이 태양계로 더 깊이 확장됨에 따라 SQUIRE 접근 방식은 결국 목성과 토성과 같은 먼 행성(예: 극성 입자가 풍부한 행성)을 대규모 자연 스핀 소스로 사용할 수 있습니다. 이 장기적인 비전은 훨씬 더 넓은 우주 규모에 걸쳐 물리학을 탐구할 수 있는 문을 열어줍니다.