Hoewel het moeilijk te geloven klinkt, alles wat we met het blote oog of door microscopen en telescopen zien, is goed voor slechts 4 procent van het bekende universum. De rest bestaat uit donkere energie (69 procent) en donkere materie (27 procent). Hoewel er in het heelal meer donkere materie dan zichtbare materie lijkt te zijn, we hebben het nog steeds niet direct kunnen detecteren. De reden is dat donkere materie geen licht uitstraalt of elektromagnetische golven absorbeert, dus het is echt moeilijk te observeren. interessant, donkere materie is nodig om de bewegingen van sterrenstelsels en enkele van de huidige theorieën over de vorming en evolutie van sterrenstelsels te verklaren. Bijvoorbeeld, de melkweg die ons zonnestelsel bevat, De melkweg, lijkt te zijn omgeven door een veel grotere halo van donkere materie; hoewel onzichtbaar, het bestaan ​​ervan wordt afgeleid door de effecten ervan op de bewegingen van sterren en gassen.

Hoewel donkere materiedeeltjes tot nu toe niet zijn gedetecteerd, wetenschappers weten dat deze deeltjes een zeer kleine massa hebben en door het heelal zijn verspreid. Een kandidaat voor donkere materiedeeltjes is het axion. Axionen hebben extreem zwakke interacties met materie en daarom hebben wetenschappers speciale apparatuur nodig om hun aanwezigheid op te vangen. specifiek, wetenschappers gebruiken de zogenaamde axion-naar-twee-fotonen koppelingstechniek, die profiteert van het feit dat een axion dat door een sterk magnetisch veld gaat, kan interageren met een foton en kan worden omgezet in een ander foton. Om deze interactie vast te leggen, IBS-wetenschappers zijn bezig met het bouwen van haloscopen in Daejeon in Zuid-Korea.

Haloscopen bevatten resonantieholtes die zijn ondergedompeld in een extra sterk magnetisch veld. "In simpele termen, je kunt de resonantieholte voorstellen als een cilinder, zoals een frisdrankblikje, waar de energie van de fotonen gegenereerd door de axion-fotonen interactie wordt versterkt, " legt KO Byeong Rok uit, eerste auteur van deze studie.

De magneten die voor dit soort experimenten worden gebruikt, hebben de vorm van een spoel die in een helix is ​​gewikkeld, technisch bekend als een solenoïde. Echter, afhankelijk van de hoogte van de magneet, het risico bestaat dat het signaal afkomstig van de axion-foton-interactie verloren gaat. Om deze reden, IBS-wetenschappers besloten dieper te kijken naar een ander type magneten in de vorm van donuts, toroïdale magneten genoemd.

"Magneten zijn het belangrijkste kenmerk van de haloscoop, en ook de duurste. Terwijl andere experimenten die donkere materie over de hele wereld proberen te detecteren, magneetmagneten gebruiken, wij zijn de eersten die toroïdale magneten proberen te gebruiken. Omdat ze nog nooit eerder zijn gebruikt, je kunt de apparatuur niet gemakkelijk kopen, dus we ontwikkelen het zelf, " legt professor Ko uit.

Om op het axion te jagen, wetenschappers moeten ervoor gaan, en de grootte voorspellen van de elektromagnetische energie die wordt verwacht van de axion-naar-foton-conversie. Elektromagnetische energie is de som van elektrische en magnetische energieën. Beide kunnen eenvoudig worden berekend voor een magneetmagneet, maar als de magneet ringkern is, het is praktisch onmogelijk om de magnetische energie analytisch te berekenen. Daarom, men geloofde dat ringkernmagneten niet konden worden gebruikt voor de haloscoop.

Dit artikel van IBS laat het tegenovergestelde zien. Uitgaande van een aangepaste versie van de Maxwell-vergelijking, die bepaalt hoe geladen deeltjes aanleiding geven tot elektrische en magnetische krachten, wetenschappers ontdekten dat elektrische energie en magnetische energie van de axion-foton-interactie gelijk zijn in beide soorten magneten. Daarom, ook al is de magnetische energie van een toroidale magneet onbekend, om de elektromagnetische energie te verkrijgen die de som van de twee is, het is mogelijk om de elektrische energie te verdubbelen en de magnetische energie te verkrijgen.

Een andere bevinding is dat de energie die wordt uitgestraald door de interactie en omzetting van het axion in foton onafhankelijk is van de positie van de holte in een magneetmagneet. Echter, dit is niet het geval voor ringkernmagneten.

IBS CAPP-wetenschappers hebben de toroidale holte "CAPPuccino-onderzeeër" genoemd omdat de kleur lijkt op de drank, en zijn bijzondere vorm. Alle theoretische bevindingen die in dit artikel worden gepubliceerd, zullen een solide achtergrond vormen voor de ontwikkeling en prototyping van nieuwe machines voor het zoeken naar donkere materie.