العلماء يستخدمون الأرض نفسها كجهاز استشعار عملاق في البحث عن فيزياء جديدة

بعيدًا عن الأرض، يستخدم العلماء أجهزة استشعار كمومية للاستماع إلى الهمسات الخافتة للقوى غير المرئية التي قد تنسج عبر الكون.

يبحث العلماء باستمرار عن أدلة جديدة حول القوى الخفية التي قد تكون موجودة خارج قوانين الفيزياء المعروفة. يركز أحد مجالات البحث الواعدة على تفاعلات البوزون الغريبة، وهي تأثيرات افتراضية يمكن أن تكشف عن جسيمات أو قوى غير معروفة سابقًا.

من المتوقع أن تتخذ هذه التفاعلات 16 شكلًا محتملًا، يعتمد معظمها على دوران الجسيمات، ويرتبط بعضها أيضًا بسرعتها. عند حدوثها، قد تسبب تغيرات صغيرة جدًا في مستويات الطاقة الذرية، مما ينتج عنه مجالات مغناطيسية زائفة باهتة.

يتطلب اكتشاف هذه الإشارات الدقيقة أدوات حساسة بشكل لا يصدق. يهدف مشروع SQUIRE إلى نقل هذا التحدي إلى الفضاء من خلال وضع أجهزة استشعار الدوران الكمومي على متن محطة الفضاء الصينية. تم تصميم هذه المستشعرات للكشف عن المجالات المغناطيسية الزائفة التي قد تنشأ من التفاعلات بين دورانها والإلكترونات الجيولوجية للأرض.

من خلال الجمع بين دقة القياس الكمي والظروف الفريدة للفضاء، يستطيع SQUIRE التغلب على أحد القيود الرئيسية للتجارب الأرضية: زيادة الحركة النسبية وعدد السبينات المستقطبة في نفس الوقت.

هناك عدة عوامل تجعل الفضاء بيئة مثالية لهذه القياسات.

1. وتدور محطة الفضاء الصينية حول الأرض بسرعة 7.67 كيلومتر في الثانية، وهي السرعة الكونية الأولى تقريبًا وأسرع بنحو 400 مرة من المصادر المتحركة في التجارب المعملية.
2. تعمل الأرض نفسها كمصدر طبيعي عملاق للدوران المستقطب. توفر الإلكترونات الجيولوجية غير المتزاوجة الموجودة في قشرة الكوكب ووشاحه، بمحاذاة المجال المغناطيسي الأرضي، ما يقرب من 10⁴² دوران مستقطب – حوالي 10¹⁷ مرات أكثر من تلك الموجودة في المواد المختبرية الشائعة مثل SmCo₅.
3. ومن الطبيعي أن يحول مدار المحطة الإشارات الغريبة المحتملة إلى تذبذبات متكررة. مع فترة مدارية تبلغ حوالي 1.5 ساعة، يتم تعديل هذه الإشارات إلى حوالي 0.189 ميجا هرتز، وهو نطاق تردد منخفض للغاية حيث تكون ضوضاء الخلفية في حدها الأدنى مقارنة بالإعدادات الأرضية.

حساسية غير مسبوقة وإمكانية الكشف

وبسبب هذه المزايا، حتى في ظل الحدود الفيزيائية الصارمة، يستطيع نظام SQUIRE اكتشاف شدة مجال غريبة تصل إلى 20 pT، وهو ما يتجاوز بكثير 0.015 pT التي يمكن تحقيقها على الأرض. من المتوقع أن تتحسن حساسيتها للتفاعلات الغريبة المعتمدة على السرعة على مدى قوة أكبر من 10⁶ م بمقدار 6 إلى 7 أوامر من حيث الحجم.

يعد بناء مستشعر الدوران الكمي الجاهز للفضاء أمرًا أساسيًا في مهمة SQUIRE. يجب أن يحافظ المستشعر على حساسية وثبات عاليين للغاية في ظروف الفضاء الصعبة. ومع ذلك، يجب أن تتعامل أجهزة الاستشعار هذه أيضًا مع ثلاثة تحديات رئيسية: التغيرات في المجال المغناطيسي للأرض، والاهتزازات الصادرة عن المركبة الفضائية، والتعرض للإشعاع الكوني.

ولمعالجة هذه المشكلة، قام فريق SQUIRE بتطوير نموذج أولي يدمج ثلاث تقنيات متقدمة: (1) مستشعر دوران الغاز النبيل المزدوج: باستخدام نظائر ¹²⁹Xe و¹³¹Xe مع نسب مغناطيسية جيرومغنطيسية معاكسة، يقوم المستشعر بقمع الضوضاء المغناطيسية ذات الوضع الشائع مع الحفاظ على الحساسية لإشارات SSVI. ويحقق هذا قمعًا للضوضاء المغناطيسية بمقدار 10 أضعاف، بالإضافة إلى درع مغناطيسي متعدد الطبقات، مما يقلل من التقلبات المغناطيسية الأرضية إلى ما دون الفيمتوتسلا. (2) تقنية تعويض الاهتزاز: يعمل النظام، المجهز بجيروسكوب من الألياف الضوئية، على تعويض اهتزاز المنصة بشكل فعال، مما يقلل الضوضاء إلى مستوى لا يذكر يبلغ 0.65 قدم. (3) البنية المقواة بالإشعاع: غلاف من الألومنيوم بقطر 0.5 سم وتكرار وحدات ثلاثية في دوائر التحكم يخفف من تأثيرات الأشعة الكونية. ويضمن هذا الأداء الوظيفي حتى في حالة فشل اثنتين من الدوائر الثلاث المتكررة، مما يقلل حالات التعطل إلى أقل من 1 في اليوم.

من خلال دمج هذه التقنيات، يحقق نموذج SQUIRE الأولي حساسية طلقة واحدة تبلغ 4.3 قدم في 1165 ثانية – مثالية لاكتشاف إشارات SSVI خلال فترة 1.5 ساعة – مما يضع أساسًا تقنيًا متينًا للكشف عن المادة المظلمة عالية الدقة في المدار.

ما وراء سكوير: شبكة كمومية فضائية-أرضية

وبعيدًا عن عمليات البحث عن التفاعلات الغريبة، فإن أجهزة استشعار الدوران الكمي الموجودة في محطة الفضاء الصينية ستمكن من إجراء مجموعة واسعة من أبحاث الفيزياء الأساسية في الفضاء. تتصور SQUIRE شبكة استشعار كمومية “متكاملة بين الفضاء والأرض”، تربط بين أجهزة الاستشعار المدارية والأرضية لتعزيز الحساسية بشكل كبير عبر نماذج المادة المظلمة المتعددة والظواهر خارج النموذج القياسي، بما في ذلك التفاعلات الغريبة الأخرى، أكسيون الهالات، وتحقيقات انتهاك CPT.

على وجه التحديد، تعمل الحركة المدارية عالية السرعة على تعزيز الاقتران بين هالات الأكسيونات ودوران النوكليون، مما يؤدي إلى تحسين الحساسية بمقدار 10 أضعاف مقارنة بعمليات البحث عن المادة المظلمة الأرضية. ومع تقدم الصين في استكشاف الفضاء السحيق، فإن إطار عمل SQUIRE سوف يلهم استخدام الكواكب البعيدة (على سبيل المثال، كوكب المشتري و زحل، غنية بالجسيمات المستقطبة) كمصادر مستقطبة طبيعية، مما يوسع حدود استكشاف الفيزياء على المقاييس الكونية.

المرجع: “أجهزة الاستشعار الكمومية في الفضاء: كشف النقاب عن الكون غير المرئي” بقلم يوانهونغ وانغ، وشينغ مينغ هوانغ، ومين جيانغ، وتشينغ لين، ووينكيانغ تشنغ، ويوان صن، وليانغ ليو، وشينهوا بينغ، وزينغغو تشاو، وجيانغفنغ دو، 22 سبتمبر 2025، مراجعة العلوم الوطنية.
DOI: 10.1093/nsr/nwaf389

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل, يكتشف، و أخبار.