Malgré sa masse infiniment petite, l'existence de l'axion, une fois prouvé, peut pointer vers une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Théorisé pour expliquer un problème de symétrie fondamental dans la force nucléaire forte associée au déséquilibre matière-antimatière dans notre univers, cette particule hypothétique fait également un candidat attrayant pour la matière noire. Bien que les axions existent en assez grand nombre pour pouvoir expliquer la masse "manquante" de l'univers, la recherche de cette matière noire a été assez difficile jusqu'à présent.

Les scientifiques pensent que lorsqu'un axion interagit avec un champ magnétique, son énergie serait convertie en photon. Le photon résultant devrait se situer quelque part dans la gamme des micro-ondes. Espérant frapper le bon match pour l'axion, les expérimentateurs utilisent un détecteur à micro-ondes, un haloscope de cavité. Avoir un résonateur cylindrique placé dans un solénoïde, le champ magnétique remplissant la cavité améliore le signal. L'haloscope permet également aux scientifiques d'ajuster en permanence la fréquence de résonance de la cavité. Cependant, l'expérience de recherche axionique la plus sensible, l'Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) de l'Université de Washington a recherché des régions à basse fréquence, en dessous de 1 GHz, comme le balayage des régions de fréquence plus élevée nécessite un rayon de cavité plus petit, entraînant une perte de volume importante et donc moins de signal. (Figure 1-(2))

Une équipe de recherche, dirigé par le Dr YOUN SungWoo du Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) au sein de l'Institute for Basic Science (IBS) en Corée du Sud, a développé une nouvelle conception de cavité à cellules multiples, surnommé « la cavité à pizza ». Tout comme les pizzas sont coupées en plusieurs tranches, plusieurs cloisons divisent verticalement le volume de la cavité en morceaux identiques (cellules). Avec presque aucun volume à perdre, cet haloscope à cellules multiples permet la sortie significative du balayage de région à haute fréquence. (Figure 1-(5)). Bien qu'il y ait eu des efforts pour regrouper des cavités plus petites et combiner des signaux individuels avec toutes les cavités accordées à la même fréquence, sa configuration compliquée et son mécanisme d'adaptation de fréquence non trivial ont été des goulots d'étranglement. (Figure 1-(3)). « L'haloscope à cavité à pizza présente une configuration de détecteur plus simple et un mécanisme d'adaptation de phase unique ainsi qu'un volume de détection plus important par rapport à la conception conventionnelle à plusieurs cavités, " note le Dr YOUN SungWoo, l'auteur correspondant de l'étude.

Les chercheurs ont prouvé que la cavité multicellulaire était capable de détecter des signaux haute fréquence avec une efficacité et une fiabilité améliorées. Dans une expérience utilisant un aimant supraconducteur 9T à une température de 2 Kelvin (-271 °C), l'équipe a rapidement balayé une gamme de fréquences de> 200 MHz au-dessus de 3 GHz, qui est une région 4 à 5 fois plus élevée que celle de l'ADMX, ce qui donne une sensibilité plus élevée aux modèles théoriques que les résultats précédents obtenus par d'autres expériences. De plus, cette nouvelle conception de cavité a permis aux chercheurs d'explorer une gamme de fréquences donnée quatre fois plus rapidement qu'une expérience conventionnelle ne pourrait le faire. "Faire avancer les choses quatre fois plus vite." Le Dr Youn ajoute en plaisantant, « En utilisant cette conception de cavité à cellules multiples, notre doctorat les étudiants devraient pouvoir obtenir leur diplôme plus rapidement que ceux des autres laboratoires."

Ce qui rend cette conception à plusieurs cellules simple à utiliser, c'est l'espace entre les cloisons au milieu. Avoir toutes les cellules connectées spatialement, une seule antenne capte le signal de tout le volume. "En tant qu'économiseur de pizza garde les tranches de pizza intactes avec ses garnitures originales, l'écart entre les deux aide les cellules à être à la hauteur, " explique le Dr Youn. L'antenne unique permet également aux chercheurs d'évaluer si les champs électromagnétiques induits par les axions sont uniformément répartis dans toute la cavité, qui s'avère être critique pour atteindre le volume effectif maximum. "Toujours, l'imprécision et le désalignement dans la construction de la cavité pourraient entraver la sensibilité. Pour ça, cette conception à alvéoles multiples permet de le soulager en ajustant la taille de l'écart au milieu, ne laissant aucun volume à gaspiller, " explique le Dr Youn.

Les efforts intensifs de deux ans de l'équipe de recherche ont abouti à une conception optimale pour la recherche longuement recherchée de la matière noire des axions dans les régions à haute fréquence. L'équipe cherche à incorporer plusieurs cavités à cellules multiples dans les systèmes existants à l'ACPP pour étendre la bande de recherche d'axions aux régions à plus haute fréquence que celles actuellement explorées.