پژوهشگران پیوسته در حال یافتن سرنخ‌هایی جدید در مورد نیروهای پنهان احتمالی هستند که شاید ورای قوانین شناخته‌شده فیزیک وجود داشته باشند. یکی از زمینه‌های تحقیقاتی امیدبخش، برهم‌کنش‌های بوزونی غیرمعمول (exotic boson interactions) است؛ اثرات فرضی که می‌توانند ذرات یا نیروهای ناشناخته‌ای را آشکار سازند.
پیش‌بینی می‌شود این برهم‌کنش‌ها در ۱۶ شکل مختلف رخ دهند. بیشتر آن‌ها به اسپین (چرخش ذاتی) ذرات بستگی دارند و برخی نیز با سرعت آن‌ها مرتبط هستند. هنگامی‌که این برهم‌کنش‌ها اتفاق می‌افتند، ممکن است باعث تغییرات بسیار کوچکی در سطوح انرژی اتمی شوند و میدان‌های شبه‌مغناطیسی ضعیفی را تولید کنند.
تشخیص این سیگنال‌های ظریف نیازمند ابزارهایی با حساسیت باورنکردنی است. پروژه SQUIRE با هدف قرار دادن حسگرهای اسپین کوانتومی در ایستگاه فضایی چین (China Space Station)، این چالش را به فضا می‌برد. این حسگرها برای شناسایی میدان‌های شبه‌مغناطیسی طراحی شده‌اند که ممکن است از برهم‌کنش بین اسپین خود حسگر و ژئوالکترون‌های (الکترون‌های زمین) زمین ناشی شوند.
SQUIRE با ترکیب دقت اندازه‌گیری کوانتومی با شرایط منحصربه‌فرد فضا، می‌تواند بر یک محدودیت عمده آزمایش‌های زمینی غلبه کند: افزایش همزمان حرکت نسبی و تعداد اسپین‌های قطبیده.
چندین عامل، فضا را به محیطی ایده‌آل برای این اندازه‌گیری‌ها تبدیل می‌کند:
- سرعت بالا: ایستگاه فضایی چین با سرعت ۷.۶۷ کیلومتر بر ثانیه، تقریباً برابر با سرعت کیهانی اول و حدود ۴۰۰ برابر سریع‌تر از منابع متحرک در آزمایش‌های آزمایشگاهی، به دور زمین می‌گردد.
- منبع غول‌پیکر اسپین: خودِ زمین به عنوان یک منبع طبیعی عظیم از اسپین‌های قطبیده عمل می‌کند. ژئوالکترون‌های جفت‌نشده در پوسته و گوشته سیاره که توسط میدان ژئومغناطیسی هم‌راستا شده‌اند، تقریباً ۱۰ به توان ۴۲ اسپین قطبیده فراهم می‌کنند – حدود ۱۰ به توان ۱۷ برابر بیشتر از مواد رایج آزمایشگاهی مانند SmCo5.
- تبدیل سیگنال به نوسانات تکرارشونده: مدار ایستگاه به‌طور طبیعی سیگنال‌های غیرمعمول احتمالی را به نوسانات تکرارشونده تبدیل می‌کند. با دوره مداری تقریباً ۱.۵ ساعت، این سیگنال‌ها در حدود ۰.۱۸۹ میلی‌هرتز مدوله می‌شوند، که یک محدوده فرکانس بسیار پایین است و نویز پس‌زمینه در آن در مقایسه با تنظیمات زمینی، حداقل است.
حساسیت بی‌سابقه و پتانسیل کشف
به دلیل این مزایا، حتی با وجود محدودیت‌های فیزیکی سخت‌گیرانه، سیستم SQUIRE می‌تواند شدت میدان‌های غیرمعمول را تا ۲۰ پیکوتسلا تشخیص دهد، که بسیار فراتر از ۰.۰۱۵ پیکوتسلا قابل دستیابی روی زمین است. انتظار می‌رود حساسیت آن به برهم‌کنش‌های غیرمعمول وابسته به سرعت در محدوده‌های نیرویی بزرگتر از ۱۰ به توان ۶ متر، بین ۶ تا ۷ مرتبه بزرگی بهبود یابد.
ساخت یک حسگر اسپین کوانتومی آماده برای فضا، محور اصلی مأموریت SQUIRE است. این حسگر باید حساسیت و پایداری بسیار بالایی را در شرایط سخت فضا حفظ کند. با این حال، چنین حسگرهایی باید با سه چالش اصلی نیز مقابله کنند: تغییرات در میدان مغناطیسی زمین، لرزش‌های ناشی از فضاپیما و قرار گرفتن در معرض تابش کیهانی.
برای رسیدگی به این موارد، تیم SQUIRE نمونه اولیه‌ای را توسعه داد که سه فناوری پیشگامانه را در خود ادغام می‌کند:
- ۱. حسگر اسپین گاز نجیب دوگانه: با استفاده از ایزوتوپ‌های زنون-۱۲۹ و زنون-۱۳۱ با نسبت‌های ژیرومغناطیسی متضاد، حسگر نویز مغناطیسی حالت مشترک را سرکوب می‌کند، در حالی‌که حساسیت به سیگنال‌های SSVI را حفظ می‌نماید. این امر به سرکوب نویز مغناطیسی تا ۱۰ هزار برابر منجر می‌شود و در ترکیب با لایه‌های محافظ مغناطیسی چندگانه، نوسانات ژئومغناطیسی را به زیر فمتوتسلا کاهش می‌دهد.
۲. فناوری جبران لرزش: این سیستم مجهز به ژیروسکوپ فیبر نوری است و به‌طور فعال لرزش‌های پلتفرم را جبران می‌کند و نویز را تا ۰.۶۵ فمتوتسلا ناچیز کاهش می‌دهد. - ۳. معماری مقاوم در برابر تابش: یک محفظه آلومینیومی ۰.۵ سانتی‌متری و افزونگی مدولار سه‌گانه در مدارهای کنترلی، تأثیرات پرتوهای کیهانی را کاهش می‌دهد. این امر تضمین می‌کند که عملکرد حتی در صورت از کار افتادن دو از سه مدار اضافی، حفظ شود و اختلالات به کمتر از ۱ مورد در روز کاهش یابد.
- با ادغام این فناوری‌ها، نمونه اولیه SQUIRE به حساسیت تک‌شات ۴.۳ فمتوتسلا در ۱۱۶۵ ثانیه دست می‌یابد – ایده‌آل برای تشخیص سیگنال‌های SSVI با دوره ۱.۵ ساعته – و یک زیربنای فنی محکم برای تشخیص با دقت بالای ماده تاریک در مدار ایجاد می‌کند.
فراتر از SQUIRE: یک شبکه کوانتومی فضا-زمین
فراتر از جستجوی برهم‌کنش‌های غیرمعمول، حسگرهای اسپین کوانتومی در ایستگاه فضایی چین، امکان طیف گسترده‌ای از تحقیقات فیزیک بنیادی در فضا را فراهم خواهند کرد. SQUIRE یک شبکه سنجش کوانتومی “یکپارچه فضا-زمین” را متصور است که حسگرهای مداری و زمینی را به هم متصل می‌کند تا حساسیت را در مدل‌های متعدد ماده تاریک و پدیده‌های فراتر از مدل استاندارد، از جمله سایر برهم‌کنش‌های غیرمعمول، هاله‌های آکسیون، و کاوش‌های نقض CPT، به طور چشمگیری افزایش دهد.
به‌طور خاص، حرکت مداری با سرعت بالا، جفت‌شدگی بین هاله‌های آکسیون و اسپین‌های هسته‌ای را تقویت می‌کند و بهبود حساسیتی ۱۰ برابری نسبت به جستجوهای زمینی ماده تاریک به دست می‌آورد. با پیشرفت اکتشافات فضایی عمیق چین، چارچوب SQUIRE الهام‌بخش استفاده از سیارات دوردست (مانند مشتری و زحل که غنی از ذرات قطبیده هستند) به عنوان منابع قطبیده طبیعی خواهد بود و مرزهای اکتشاف فیزیک را در مقیاس‌های کیهانی گسترش خواهد داد.
منبع: Scitechdaily
