מדענים סינים הופכים את כדור הארץ לחיישן קוונטי ענק כדי לחשוף פיזיקה חדשה

פרויקט SQUIRE יציב חיישני-ספין מתקדמים על תחנת החלל הסינית כדי “להאזין” לשדות פסאודו-מגנטיים זעירים מאינטראקציות בוזוניות אקזוטיות – עם רגישות גבוהה פי מיליונים מהניסויים על הקרקע

גבוה מעל פני כדור הארץ, מדענים מפעילים חיישנים קוונטיים כדי “להאזין” ללחישות הקלושות של כוחות נסתרים שעשויים לארוג את היקום.

המדע מחפש ללא הרף רמזים לכוחות חבויים שמעבר לחוקי הפיזיקה המוכרים. תחום מבטיח במיוחד מתמקד באינטראקציות בוזוניות אקזוטיות – השפעות היפותטיות שעשויות להעיד על חלקיקים או כוחות שלא זוהו עד היום. התאוריה מנבאת 16 צורות אפשריות לאינטראקציות כאלה; רובן תלויות בסחרור (ספין) של חלקיקים, וחלקן גם במהירותם. כאשר הן מתרחשות, הן עשויות לגרום לשינויים זעירים ברמות האנרגיה האטומיות וליצור שדות פסאודו-מגנטיים חלשים במיוחד.

זיהוי אותות עדינים כאלה מחייב מכשירים רגישים במיוחד. פרויקט SQUIRE מתכנן לקחת את האתגר לחלל ולהציב תחושני-ספין קוונטיים על גבי תחנת החלל הסינית. החיישנים נועדו למדוד שדות פסאודו-מגנטיים שיכולים להיווצר מאינטראקציות בין הספינים של עצמם לבין “ג’או-אלקטרונים” של כדור הארץ.

שילוב הדיוק של מדידות קוונטיות עם תנאי החלל הייחודיים מאפשר ל-SQUIRE להתגבר על מגבלה מרכזית של ניסויי קרקע: להגדיל בעת ובעונה אחת גם את התנועה היחסית בין המקור לגלאי וגם את מספר הספינים הממוקדים (ממוגנטים).

מדוע חלל הוא סביבת מדידה אידיאלית?
• תחנת החלל הסינית מקיפה את כדור הארץ במהירות של 7.67 ק״מ/שנייה – כמעט המהירות הקוסמית הראשונה וכ-400 פעמים מהר יותר ממהירויות המקורות בניסויי מעבדה טיפוסיים.
• כדור הארץ עצמו מתפקד כמקור טבעי עצום של ספינים ממוקדים: אלקטרונים בלתי מצומדים בקרום ובמעטפת, המיושרים על ידי השדה המגנטי העולמי, מספקים סדר גודל של כ-10⁴² ספינים – כ-10¹⁷ יותר מאשר בחומרים מעבדתיים שכיחים כגון SmCo₅.
• המסלול ההיקפי של התחנה “ממיר” אותות אקזוטיים אפשריים לאוסצילציות מחזוריות: עם מחזור הקפה של כ-1.5 שעות, האותות עוברים מודולציה לתדר של כ-0.189 מיליהרץ – טווח תדרים נמוך במיוחד שבו רעש הרקע קטן בהרבה מאשר במערכים קרקעיים.

רגישות חסרת תקדים ופוטנציאל גילוי

בשל יתרונות אלה, גם תחת מגבלות פיזיקליות מחמירות, המערכת של SQUIRE עשויה למדוד עוצמות שדה אקזוטי עד כ-20 פיקו-טסלה – הרבה מעבר לרגישות קרקעית אופיינית של כ-0.015 פיקו-טסלה. הרגישות לאינטראקציות אקזוטיות התלויות במהירות, בטווחי כוח הגדולים מ-10⁶ מטר, צפויה להשתפר בשישה עד שבעה סדרי גודל.

ליבת המשימה היא בניית חיישן-ספין קוונטי כשיר-חלל, השומר על רגישות ויציבות קיצוניות בתנאי חלל מאתגרים. חיישנים כאלה נדרשים להתמודד עם שלוש סוגיות עיקריות: שינויים בשדה המגנטי הארצי, רעידות פלטפורמה, וקרינה קוסמית.

כדי לתת מענה, פותח אב-טיפוס המשלב שלוש פריצות דרך טכנולוגיות:
(1) חיישן סחרור דו-גזי אציל: שימוש באיזוטופים קסנון ‎¹²⁹Xe ו-‎¹³¹Xe עם מקדמי גירומגנטיות מנוגדים מדכא רעש מגנטי משותף אך שומר על הרגישות לאותות האקזוטיים. כך מתקבל דיכוי רעש מגנטי פי ‎10⁴, ובשילוב מיגון מגנטי רב-שכבתי – ירידה של תנודות השדה המגנטי הגאומגנטי עד לרמות תת-פמטו-טסלה.
(2) פיצוי רעידות אקטיבי: גירוסקופ סיב-אופטי מבצע פיצוי תנועתי של פלטפורמת המדידה ומפחית את תרומת הרעידות לרעש לכ-0.65 פמטו-טסלה – זניח ביחס לאות המטרה.
(3) קשיחות קרינה: מארז אלומיניום בעובי 0.5 ס״מ יחד עם יתירות משולשת במעגלי הבקרה מצמצמים את השפעות הקרינה הקוסמית, ומבטיחים פעולה תקינה גם במקרה של כשל בשניים מתוך שלושה נתיבי בקרה – לרמת שיבוש של פחות מאירוע אחד ליום.

שילוב הטכנולוגיות הללו מקנה לאב-הטיפוס רגישות “ירייה בודדת” של 4.3 פמטו-טסלה במשך 1,165 שניות – חלון מדידה חופף למחזור של כ-1.5 שעות – ובכך מציב תשתית הנדסית מוצקה לזיהוי מדויק במסלול של אותות חומר-אפל ואינטראקציות מעבר למודל הסטנדרטי.

מעבר ל-SQUIRE: רשת קוונטית חלל-קרקע

חיישני-ספין קוונטיים על תחנת החלל הסינית יאפשרו קשת רחבה של ניסויי יסוד בפיזיקה בחלל. חזון SQUIRE הוא רשת חישה “משולבת חלל-קרקע”, שתקשר בין חיישנים מסלוליים לבין מערכי מדידה יבשתיים ותשפר דרמטית את הרגישות למגוון מודלים של חומר אפל ותופעות נוספות מעבר למודל הסטנדרטי – לרבות אינטראקציות אקזוטיות נוספות, הילות אקסיון ובדיקות של הפרת סימטריית CPT (מטען, היפוך מרחב, היפוך זמן).

באופן ספציפי, מהירות המסלול הגבוהה מחזקת את הצימוד בין הילות אקסיון לבין ספיני נוקליאונים, ומשיגה שיפור רגישות פי עשרה ביחס לחיפושי חומר אפל ישירים קרקעיים. עם התקדמות חקר החלל העמוק של סין, מסגרת SQUIRE עשויה לעודד שימוש בכוכבי לכת רחוקים (למשל צדק ושבתאי, העשירים בחלקיקים ממוגנטים) כמקורות ספינים טבעיים – ובכך להרחיב את גבולות החקירה הפיזיקלית בקני מידה קוסמיים.

מקור: Yuanhong Wang ואחרים, “Quantum sensors in space: unveiling the invisible universe”, National Science Review, ‏22-ספטמבר-2025. DOI: ‎10.1093/nsr/nwaf389

עוד בנושא באתר הידען:

• צעד נוסף לקראת כבידה קוונטית
• ניסוי מתוכנן יבדוק אם חלקיקי חומר אפל יכולים להיווצר מקרן לייזר בשדה מגנט
• גלקסיות ללא כוכבים? החוקרים מתבייתים על ההילות הכי אפלות של היקום
• מדענים ישראלים גילו חוט קוסמי של חומר אפל קרוב לשביל החלב
• האם טעינו לגבי החומר האפל? גלקסיות ננסיות מציעות רמזים מפתיעים