[论文解读] STE-QUEST -- Space Time Explorer and QUantum Equivalence principle Space Test: The 2022 medium-class mission concept

Naceur Gaaloul, Holger Ahlers+46 more|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 13

一句话总结

STE-QUEST 是一项拟议的 M 类空间任务，旨在利用 87Rb 和 41K 玻色-爱斯坦凝聚态的双组分物质波干涉测量，检验等效原理和洛伦兹不变性，实现对自由落体普遍性的 10−17 敏感度水平，并可探测超轻暗物质以及达到 GRW 破裂模型极限的量子叠加原理破坏。

ABSTRACT

Space-borne quantum technologies, particularly those based on atom interferometry, are heralding a new era of strategic and robust space exploration. The unique conditions of space, characterized by low noise and low gravity environments, open up diverse possibilities for applications ranging from precise time and frequency transfer to Earth Observation and the search of new Physics. In this paper, we summarise the M-class mission proposal in response to the 2022 call in ESA's science program: Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test (STE-QUEST). It consists in a satellite mission featuring a dual-species atom interferometer operating over extended durations. This mission aims to tackle three of the most fundamental questions in Physics: (i) testing the universality of free fall with an accuracy better than one part in $10^{-17}$, (ii) exploring various forms of Ultra-Light Dark Matter, and (iii) scrutinizing the foundations of Quantum Mechanics.

研究动机与目标

• 利用微重力环境中的量子传感器，以前所未有的灵敏度测试自由落体普遍性（UFF）和局部洛伦兹不变性（LLI）。
• 通过探测质量低于 1 eV 的超轻暗物质（ULDM）候选者，扩展当前实验探索的参数空间。
• 通过探测宏观系统中量子叠加原理的极限，检验量子力学的基础。
• 解决统一引力与量子力学的根本物理挑战，包括爱因斯坦等效原理的破坏。
• 通过开发具有长自由下落时间的超稳定、低温原子干涉仪，推动空间量子技术的发展。

提出的方法

• 基于 87Rb 和 41K 原子在量子简并态（玻色-爱斯坦凝聚态）中的双组分物质波干涉仪。
• 采用具有宏观空间分离（最高达 130 cm）和极低膨胀能量（约 10 pK）的相干叠加态。
• 通过差分干涉测量检测或约束自由落体普遍性在 10−17 水平上的破坏。
• 利用长自由下落时间（最高 50 秒）以增强对超轻暗物质场等动力学效应的灵敏度。
• 使用先进的激光系统、磁屏蔽和射频合成电子设备稳定干涉仪并最小化噪声。
• 采用简化的任务剖面，包括圆形轨道和去需求化的地面基础设施，以降低成本，同时保持科学目标。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用空间中的双组分原子干涉仪，在 10−17 水平上测试自由落体普遍性？
• RQ2 STE-QUEST 干涉仪对与超轻暗物质相关的振荡标量场或矢量场的灵敏度如何？
• RQ3 在连续自发定域化（CSL）或迪奥西-彭罗斯模型等塌缩模型变得相关之前，量子叠加原理在宏观量子系统中能被多大程度地检验？
• RQ4 物质波干涉仪中观测到的偏离经典行为如何约束其他量子引力模型？
• RQ5 该任务能否通过在太空中对基本对称性的精密测试，探测或约束标准模型之外的新物理？

主要发现

• STE-QUEST 干涉仪设计用于以 10−17 的灵敏度测试自由落体普遍性，相比当前地面极限提高了三个数量级。
• 该任务将探测广泛质量范围和耦合强度的超轻暗物质候选者，使可探测的参数空间扩展数个数量级。
• 该实验将对连续自发定域化（CSL）塌缩模型的测试灵敏度比现有最先进实验提高四个数量级，达到吉拉尔迪-里米尼-韦伯（GRW）极限。
• 该任务还将探测迪奥西-彭罗斯引力塌缩模型，为引力诱导的量子态塌缩提供直接检验。
• 有效载荷的总估算成本为 161.6 M€，欧洲空间局（ESA）的出资为 48.1 M€，该任务完全符合 M7 任务征集的 550 M€ 成本上限。
• 通过使用 Vega-C 箭体替代 Soyuz 箭体，以及去需求化地面基础设施，实现了在严格预算限制下的可行任务剖面。