Ondanks zijn verdwijnende kleine massa, het bestaan ​​van het axion, eenmaal bewezen, kan wijzen op nieuwe fysica die verder gaat dan het standaardmodel. Getheoretiseerd om een ​​fundamenteel symmetrieprobleem te verklaren in de sterke kernkracht geassocieerd met de onbalans tussen materie en antimaterie in ons universum, dit hypothetische deeltje is ook een aantrekkelijke kandidaat voor donkere materie. Hoewel axions in voldoende grote aantallen zouden bestaan ​​om de "ontbrekende" massa van het universum te kunnen verklaren, de zoektocht naar deze donkere materie was tot nu toe behoorlijk uitdagend.

Wetenschappers geloven dat wanneer een axion interageert met een magnetisch veld, zijn energie zou worden omgezet in een foton. Het resulterende foton zal naar verwachting ergens in het microgolffrequentiebereik zijn. In de hoop de juiste match te vinden voor de axion, experimentatoren gebruiken een microgolfdetector, een holtehaloscoop. Met een cilindrische resonator geplaatst in een solenoïde, het magnetische veld dat de holte vult, versterkt het signaal. De haloscoop stelt wetenschappers ook in staat om de resonantiefrequentie van de holte continu aan te passen. Echter, het meest gevoelige axion-zoekexperiment, het Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) aan de Universiteit van Washington heeft gezocht naar laagfrequente regio's, onder 1 GHz, omdat het scannen van hogere frequentiegebieden een kleinere holteradius vereist, wat resulteert in aanzienlijk volumeverlies en dus minder signaal. (Figuur 1-(2))

Een onderzoeksteam, geleid door Dr. YOUN SungWoo van het Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) binnen het Institute for Basic Science (IBS) in Zuid-Korea, heeft een nieuw holteontwerp met meerdere cellen ontwikkeld, genaamd "pizza holte." Net zoals pizza's in meerdere plakken worden gesneden, meerdere partities verdelen het spouwvolume verticaal in identieke stukken (cellen). Met bijna geen volume te verliezen, deze meercellige haloscoop maakt de zinvolle uitvoer van hoogfrequente regioscanning mogelijk. (Figuur 1-(5)). Hoewel er pogingen waren om kleinere holtes samen te bundelen en individuele signalen te combineren met alle holtes die op dezelfde frequentie zijn afgestemd, de gecompliceerde opzet en het niet-triviale frequentieafstemmingsmechanisme waren knelpunten. (Figuur 1-(3)). "De pizza-haloscoop heeft een eenvoudigere detectoropstelling en een uniek fase-aanpassingsmechanisme, evenals een groter detectievolume in vergelijking met het conventionele ontwerp met meerdere holtes, " merkt Dr. YOUN SungWoo op, de corresponderende auteur van de studie.

De onderzoekers bewezen dat de meercellige holte in staat was om hoogfrequente signalen te detecteren met verbeterde efficiëntie en betrouwbaarheid. In een experiment met een 9T-supergeleidende magneet bij een temperatuur van 2 kelvin (-271 °C), het team scande snel een frequentiebereik van> 200 MHz boven 3 GHz, wat een 4 ~ 5 keer hoger gebied is dan dat van ADMX, wat een hogere gevoeligheid voor theoretische modellen oplevert dan de eerdere resultaten van andere experimenten. Ook dit nieuwe ontwerp van de holte stelde de onderzoekers in staat om een ​​bepaald frequentiebereik vier keer sneller te verkennen dan een conventioneel experiment zou kunnen. "Dingen vier keer sneller gedaan krijgen." Dr. Youn voegt er gekscherend aan toe:"Door gebruik te maken van dit ontwerp met meerdere cellen, onze Ph.D. studenten moeten sneller kunnen afstuderen dan die in andere labs."

Wat dit ontwerp met meerdere cellen eenvoudig te bedienen maakt, is de opening tussen de scheidingswanden in het midden. Als alle cellen ruimtelijk verbonden zijn, een enkele antenne pikt het signaal van het hele volume op. "Omdat een pizzaspaarder pizzapunten intact houdt met zijn originele toppings, de tussenruimte helpt de cellen om het werk aan te kunnen, " zegt Dr. Youn. De enkele antenne stelt onderzoekers ook in staat om te beoordelen of de axion-geïnduceerde elektromagnetische velden gelijkmatig door de holte zijn verdeeld, wat van cruciaal belang blijkt te zijn om het maximale effectieve volume te bereiken. "Nog altijd, de onnauwkeurigheid en verkeerde uitlijning in de holteconstructie zou de gevoeligheid kunnen belemmeren. Daarom, dit ontwerp met meerdere cellen maakt het mogelijk om het te ontlasten door de grootte van de opening in het midden aan te passen, zodat er geen volume verloren gaat, " legt dr. Youn uit.

De twee jaar durende inspanningen van het onderzoeksteam resulteerden in een optimaal ontwerp voor lang gezochte zoektocht naar axion-donkere materie in hoogfrequente regio's. Het team onderzoekt de integratie van verschillende holtes met meerdere cellen in de bestaande systemen bij CAPP om de axion-zoekband uit te breiden naar regio's met een hogere frequentie dan momenteel wordt onderzocht.