Bien que cela semble difficile à croire, tout ce que nous voyons à l'œil nu ou à travers des microscopes et des télescopes ne représente que 4 % de l'univers connu. Le reste comprend de l'énergie noire (69 %) et de la matière noire (27 %). Bien qu'il semble y avoir plus de matière noire que de matière visible dans l'univers, nous n'avons toujours pas pu le détecter directement. La raison en est que la matière noire n'émet pas de lumière et n'absorbe pas les ondes électromagnétiques, donc c'est vraiment difficile à observer. De façon intéressante, la matière noire est nécessaire pour expliquer les mouvements des galaxies et certaines des théories actuelles de la formation et de l'évolution des galaxies. Par exemple, la galaxie qui contient notre système solaire, la voie Lactée, semble être enveloppé par un halo beaucoup plus grand de matière noire; bien qu'invisible, son existence est inférée par ses effets sur les mouvements des étoiles et des gaz.

Bien que les particules de matière noire n'aient pas été détectées jusqu'à présent, les scientifiques savent que ces particules ont une masse très faible et sont réparties dans tout l'univers. Un candidat de particule de matière noire est l'axion. Les axions ont des interactions extrêmement faibles avec la matière et les scientifiques ont donc besoin d'un équipement spécial pour détecter leur présence. Spécifiquement, les scientifiques utilisent la technique dite de couplage de l'axion à deux photons, qui profite du fait qu'un axion traversant un fort champ magnétique peut interagir avec un photon et se convertir en un autre photon. Pour enregistrer cette interaction, Les scientifiques d'IBS sont en train de construire des haloscopes à Daejeon en Corée du Sud.

Les haloscopes contiennent des cavités résonantes immergées dans un champ magnétique extra-fort. « En termes simples, vous pouvez imager la cavité résonante comme un cylindre, comme une canette de boisson gazeuse, où l'énergie des photons générés par l'interaction axions-photons est amplifiée, " explique KO Byeong Rok, premier auteur de cette étude.

Les aimants utilisés pour ce type d'expériences ont la forme d'une bobine enroulée en hélice, techniquement connu sous le nom de solénoïde. Cependant, selon la hauteur de l'aimant, il y a le risque de perdre le signal issu de l'interaction axion-photon. Pour cette raison, Les scientifiques d'IBS ont décidé d'approfondir un autre type d'aimants en forme de beignets, appelés aimants toroïdaux.

"Les aimants sont la caractéristique la plus importante de l'haloscope, et aussi le plus cher. Alors que d'autres expériences visant à détecter la matière noire dans le monde utilisent des aimants solénoïdes, nous sommes les premiers à essayer d'utiliser des aimants toroïdaux. Comme ils n'ont jamais été utilisés auparavant, vous ne pouvez pas acheter facilement l'équipement, donc nous le développons nous-mêmes, " explique le professeur Ko.

Afin de chasser l'axion, les scientifiques doivent sortir devant, et prédire l'amplitude de l'énergie électromagnétique attendue de la conversion axion-photon. L'énergie électromagnétique est la somme des énergies électrique et magnétique. Les deux peuvent être facilement calculés pour un aimant solénoïde, mais si l'aimant est toroïdal, il est pratiquement impossible de calculer analytiquement l'énergie magnétique. À cause de ce, on croyait que les aimants toroïdaux ne pouvaient pas être utilisés pour l'haloscope.

Cet article d'IBS montre le contraire. A partir d'une version ajustée de l'équation de Maxwell, qui définit comment les particules chargées donnent naissance à des forces électriques et magnétiques, les scientifiques ont découvert que l'énergie électrique et l'énergie magnétique de l'interaction axion-photon sont égales dans les deux types d'aimants. Par conséquent, même si l'énergie magnétique d'un aimant toroïdal est inconnue, pour obtenir l'énergie électromagnétique qui est la somme des deux, il est possible de doubler l'énergie électrique et d'obtenir l'énergie magnétique.

Une autre découverte est que l'énergie émise par l'interaction et la conversion de l'axion en photon est indépendante de la position de la cavité à l'intérieur d'un aimant solénoïde. Cependant, ce n'est pas le cas pour les aimants toriques.

Les scientifiques d'IBS CAPP ont surnommé la cavité toroïdale "sous-marin CAPPuccino" car sa couleur ressemble à celle de la boisson, et sa forme particulière. Toutes les découvertes théoriques publiées dans cet article vont constituer une base solide pour le développement et le prototypage de nouvelles machines pour la recherche de matière noire.