Bilim İnsanları Yeni Fiziği Aramak İçin Dünyayı Dev Bir Sensöre Dönüştürüyor
Dünya’nın çok yukarılarında, bilim insanları, evrende dolaşabilecek görünmeyen kuvvetlerin en ufak fısıltılarını bile dinlemek için kuantum sensörleri kullanıyorlar.
Bilim insanları, bilinen fizik yasalarının ötesinde var olabilecek gizli kuvvetler hakkında sürekli olarak yeni ipuçları arıyorlar. Umut vadeden bir araştırma alanı, daha önce bilinmeyen parçacıkları veya kuvvetleri ortaya çıkarabilecek varsayımsal etkiler olan egzotik bozon etkileşimlerine odaklanıyor.
Bu etkileşimlerin, çoğu parçacıkların spinlerine bağlı, bazıları da hızlarıyla bağlantılı olan 16 olası formda olacağı tahmin ediliyor. Meydana geldiklerinde, atom enerji seviyelerinde son derece küçük değişikliklere neden olarak zayıf psödomagnetik alanlar üretebilirler.
Bu ince sinyalleri tespit etmek inanılmaz derecede hassas cihazlar gerektiriyor. SQUIRE projesi, Çin Uzay İstasyonu’na kuantum spin sensörleri yerleştirerek bu zorluğu uzaya taşımayı hedefliyor. Bu sensörler, kendi spinleri ile Dünya’nın jeoelektronları arasındaki etkileşimlerden kaynaklanabilecek psödomagnetik alanları tespit etmek için tasarlandı.
Kuantum ölçümünün hassasiyetini uzayın benzersiz koşullarıyla birleştirerek SQUIRE, yer tabanlı deneylerin önemli bir sınırlamasını aşabilir: hem bağıl hareketi hem de polarize dönüşlerin sayısını aynı anda artırabilir.
Uzayı bu ölçümler için ideal bir ortam haline getiren birkaç faktör vardır.
Çin Uzay İstasyonu, Dünya etrafında 7,67 km/s hızla döner; bu, neredeyse ilk kozmik hızdır ve laboratuvar deneylerindeki hareketli kaynaklardan yaklaşık 400 kat daha hızlıdır.
Dünya’nın kendisi, devasa bir doğal polarize spin kaynağı görevi görür. Gezegenin kabuğu ve mantosundaki, jeomanyetik alanla hizalanmış eşleşmemiş jeoelektronlar, yaklaşık 10⁴² polarize spin sağlar; bu, SmCo₅ gibi yaygın laboratuvar malzemelerindekinden yaklaşık 10¹⁷ kat daha fazladır.
İstasyonun yörüngesi, potansiyel egzotik sinyalleri doğal olarak tekrarlayan salınımlara dönüştürür. Yaklaşık 1,5 saatlik bir yörünge periyoduyla bu sinyaller, arka plan gürültüsünün yer tabanlı kurulumlara kıyasla minimum olduğu çok düşük bir frekans aralığı olan yaklaşık 0,189 mHz’e modüle edilir. Benzersiz Hassasiyet ve Algılama Potansiyeli
Bu avantajları sayesinde, SQUIRE sistemi, katı fiziksel sınırlar altında bile, Dünya’da ulaşılabilen 0,015 pT’nin çok ötesinde, 20 pT’ye kadar egzotik alan şiddetlerini tespit edebilir. 10⁶ m’den daha büyük kuvvet aralıklarında hıza bağlı egzotik etkileşimlere karşı hassasiyetinin 6 ila 7 kat artması bekleniyor.
Uzaya hazır bir kuantum spin sensörü geliştirmek, SQUIRE misyonunun merkezinde yer alıyor. Sensör, uzayın zorlu koşullarında son derece yüksek hassasiyet ve kararlılık sağlamalıdır. Ancak, bu sensörlerin aynı zamanda üç temel zorlukla da başa çıkması gerekiyor: Dünya’nın manyetik alanındaki değişiklikler, uzay aracından kaynaklanan titreşimler ve kozmik radyasyona maruz kalma.
Ultra hafif egzotik bozonlar için uzay tabanlı arama şeması ve buhar hücresi, manyetik kalkan, fiber optik jiroskop ve radyasyon koruma kutusu dahil olmak üzere prototip uzay kuantum sensörü. Kaynak: Science China Press
Bu sorunları çözmek için SQUIRE ekibi üç çığır açan teknolojiyi entegre eden bir prototip geliştirdi: (i) Çift Soygaz Spin Sensörü: Zıt jiroskopik manyetik oranlara sahip ¹²⁹Xe ve ¹³¹Xe izotoplarını kullanan sensör, SSVI sinyallerine duyarlılığı korurken ortak mod manyetik gürültüsünü bastırır. Bu, 10⁴ kat manyetik gürültü bastırma sağlar ve çok katmanlı manyetik koruma ile birleştirildiğinde jeomanyetik dalgalanmaları femtotesla altına düşürür. (ii) Titreşim Telafisi Teknolojisi: Fiber optik jiroskopla donatılan sistem, platform titreşimini aktif olarak telafi ederek gürültüyü ihmal edilebilir 0,65 ftT’ye düşürür. (iii) Radyasyona Karşı Güçlendirilmiş Mimari: 0,5 cm alüminyum muhafaza ve kontrol devrelerindeki üçlü modüler yedeklilik, kozmik ışın etkilerini azaltır. Bu, üç yedekli devreden ikisi arızalansa bile işlevselliği garanti eder ve kesintileri günde <1’e düşürür.
Bu teknolojileri entegre eden SQUIRE prototipi, 1165 saniyede 4,3 ftT’lik tek atım hassasiyetine ulaşarak (SSVI sinyallerini 1,5 saatlik bir sürede tespit etmek için ideal) yörüngede yüksek hassasiyetli karanlık madde tespiti için sağlam bir teknik temel oluşturuyor.
SQUIRE’ın Ötesinde: Uzay-Yer Kuantum Ağı
Egzotik etkileşim araştırmalarının ötesinde, Çin Uzay İstasyonu’ndaki kuantum spin sensörleri, uzayda çok çeşitli temel fizik araştırmalarına olanak sağlayacak. SQUIRE, yörünge ve yer sensörlerini birbirine bağlayarak, diğer egzotik etkileşimler, Aksiyon haleleri ve CPT ihlal probları da dahil olmak üzere birden fazla karanlık madde modeli ve Standart Model dışı fenomenler genelinde hassasiyeti önemli ölçüde artıran “uzay-yer entegre” bir kuantum algılama ağı öngörüyor.
Özellikle, yüksek hızlı yörünge hareketi, aksiyon haleleri ve nükleon spinleri arasındaki bağlantıyı güçlendirerek, karasal doğrudan karanlık madde araştırmalarına kıyasla 10 kat daha fazla hassasiyet artışı sağlar. Çin’in derin uzay araştırmaları ilerledikçe, SQUIRE çerçevesi, uzak gezegenlerin (örneğin, polarize parçacıklar açısından zengin Jüpiter ve Satürn) doğal polarize kaynaklar olarak kullanılmasına ilham verecek ve kozmik ölçeklerde fizik araştırmalarının sınırlarını genişletecektir.
Kaynak: https://scitechdaily.com
Higgs Bozonu ve Küçük Kara Delikler: Kozmik Bir Felaket Önlenmiş Olabilir mi?