Используя околоземное пространство как экспериментальную площадку, учёные создают принципиально новые методы исследования фундаментальных законов природы. Проект SQUIRE выводит квантовые спиновые датчики на орбиту, где они получают доступ к уникальным условиям, недостижимым в лабораториях. Такая среда позволяет изучать экзотические взаимодействия — гипотетические эффекты, которые могут свидетельствовать о существовании новых частиц или неизвестных сил, не описанных Стандартной моделью.
Современная теория допускает до шестнадцати возможных типов сверхлёгких бозонных взаимодействий, большинство из которых зависит от спинов частиц, а часть — от их относительной скорости. Если подобные взаимодействия действительно существуют, они способны вызывать чрезвычайно слабые изменения энергетических уровней атомов и создавать псевдомагнитные поля минимальной интенсивности. На Земле подобные сигналы теряются в шуме, а их поиск требует инструментов, чувствительность которых начинает приближаться к фундаментальным пределам.
SQUIRE использует среду низкой гравитации и стабильные орбитальные условия, чтобы расширить возможности квантовой сенсоровой техники. Китайская космическая станция движется со скоростью 7,67 км/с, что в сотни раз превышает скорости, достижимые при лабораторных экспериментах. Такое движение усиливает потенциальные сигналы, зависящие от скорости. Земля сама выступает гигантским источником поляризованных спинов: в её коре и мантии содержится около 10⁴² геоэлектронов, ориентированных геомагнитным полем, что делает планету естественным «генератором» спиновых взаимодействий. Орбита станции дополнительно преобразует экзотические сигналы в периодические колебания с частотой 0,189 мГц, попадающей в диапазон минимального фонового шума.
Сочетание этих факторов создаёт условия, в которых можно регистрировать сигналы интенсивностью до 20 пТл — показатели, существенно превосходящие наземные эксперименты. На расстояниях более миллиона метров SQUIRE способен улучшить ограничения на экзотические взаимодействия, зависящие от скорости, на шесть–семь порядков.
Разработка космического квантового спинового датчика требует преодоления трёх критически важных проблем: изменения магнитного поля Земли, вибраций космического аппарата и воздействия космического излучения. Прототип SQUIRE объединил несколько технологических решений, которые позволили обеспечить требуемую стабильность и точность.
Использование двух изотопов благородных газов — ¹²⁹Xe и ¹³¹Xe — со строго противоположными гиромагнитными свойствами позволило компенсировать синфазный магнитный шум, сохранив чувствительность к искомым сигналам. Высокоточный волоконно-оптический гироскоп устраняет вибрационные и вращательные возмущения, а многослойное магнитное экранирование снижает геомагнитные флуктуации до уровня субфемтотесла. Алюминиевый корпус усиленной конструкции и тройное резервирование управляющей электроники обеспечивают устойчивость к космической радиации и сохраняют работоспособность даже при отказе двух модулей из трёх.
Эти технологии позволили достичь однократной чувствительности 4,3 фТл при времени измерений 1165 секунд. Такой показатель идеально подходит для регистрации сигналов с периодом около полутора часов — именно такую временную структуру создают потенциальные экзотические взаимодействия при орбитальном движении.
Проект SQUIRE не ограничивается поиском новых взаимодействий. В его рамках закладывается основа для создания распределённой квантовой сенсорной сети, охватывающей и орбитальные платформы, и наземные лаборатории. Такая сеть позволит синхронно измерять сигналы различной природы, усиливая чувствительность к моделям тёмной материи, к аксионным галло, к нарушениям фундаментальных симметрий и к пока неизученным эффектам, которые могут проявляться только при движении с большими скоростями.
Орбитальная среда дополнительно усиливает потенциальное взаимодействие аксионных полей со спинами нуклонов, что обеспечивает увеличение чувствительности по сравнению с наземными экспериментами примерно в десять раз. В перспективе по мере развития космических программ исследователи планируют использовать и более удалённые объекты — такие как Юпитер или Сатурн — как естественные источники поляризованного излучения, что позволит изучать новые физические эффекты на значительно больших масштабах.
Использование Земли как гигантского спинового источника и вывод квантовых датчиков в космос открывают перед физикой совершенно новые горизонты. Такие проекты показывают, что границы экспериментальных возможностей больше не определяются размерами лабораторного оборудования: сама планета и космическое пространство становятся частью измерительного комплекса.
А затем «Добавить на главный экран». 