Au cours des dernières décennies, de nombreux physiciens expérimentateurs ont sondé l'existence de particules appelées axions, qui résulterait d'un mécanisme spécifique qui, selon eux, pourrait expliquer la contradiction entre les théories et les expériences décrivant une symétrie fondamentale. Cette symétrie est associée à un déséquilibre matière-antimatière dans l'Univers, se reflète dans les interactions entre les différentes particules.

Si ce mécanisme a eu lieu au début de l'Univers, une telle particule pourrait avoir une très petite masse et être « invisible ». les chercheurs ont proposé que l'axion pourrait également être un candidat prometteur pour la matière noire, un insaisissable, type hypothétique de matière qui n'émet pas, réfléchir ou absorber la lumière.

Alors que la matière noire n'a pas encore été observée expérimentalement, on pense qu'il représente 85 % de la masse de l'univers. La détection des axions pourrait avoir des implications importantes pour les expériences en cours sur la matière noire, car cela pourrait améliorer la compréhension actuelle de ces particules insaisissables.

Des chercheurs de l'Institute for Basic Science (IBS) ont récemment effectué une recherche de matière noire axionique invisible à l'aide d'un haloscope à cavités multiples qu'ils ont conçu (c'est-à-dire, un instrument pour observer les halos, parhélie, et autres phénomènes physiques similaires). Leurs résultats se comparent favorablement à ceux des précédentes recherches de matière noire axioniques basées sur un haloscope, soulignant le potentiel de l'instrument qu'ils ont créé pour les recherches sur la matière noire et d'autres recherches en physique.

"L'axion est détectable sous la forme d'un photon micro-onde qu'il est transformé en présence d'un fort champ magnétique, " Sung Woo Youn, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Un haloscope à cavité, utilisant généralement un résonateur cylindrique placé dans un solénoïde pour utiliser la résonance pour améliorer le signal, est l'approche la plus sensible pour sonder les modèles théoriques bien établis."

Alors que les haloscopes à cavité pourraient être des outils prometteurs pour détecter les axions, ils sont généralement très sensibles à des fréquences relativement basses. Ceci est principalement dû au fait que les fréquences de résonance sont inversement proportionnelles au rayon de la cavité, ce qui réduit le volume de détection pour les recherches à haute fréquence.

C'est l'une des raisons pour lesquelles la recherche d'axions la plus sensible effectuée jusqu'à présent, à savoir l'Axion Dark Matter eXperiment (ADMC) de l'Université de Washington, définir des limites expérimentales inférieures à 1 GHz. L'un des moyens possibles d'éviter cette perte de volume serait de regrouper de nombreuses cavités plus petites et de combiner des signaux individuels, pour s'assurer que toutes les fréquences et phases sont synchronisées.

"Ce système à cavités multiples a déjà été proposé, mais n'a pas été traité avec succès, en raison des effets sur la fiabilité et la complexité accrue du fonctionnement du système, " a déclaré Youn. " Notre équipe du Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) à IBS, situé au Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) en Corée du Sud, dirigé par moi-même, ainsi développé une nouvelle conception de cavité, ce qu'on appelle la cavité à cellules multiples."

L'haloscope à cavité conçu par Youn et ses collègues se caractérise par de multiples cloisons qui divisent verticalement le volume de sa cavité en cellules identiques. Cette conception unique augmente les fréquences de résonance avec une perte de volume minimale. Les chercheurs ont également veillé à ce que les cloisons situées au milieu de la cavité soient séparées par un interstice.

"En rendant toutes les cellules connectées spatialement, notre conception permet à une seule antenne de capter le signal de tout le volume et simplifie ainsi considérablement la structure de la chaîne de réception, " Youn a expliqué. " L'espace de taille optimale permet également au signal induit par l'axion d'être uniformément réparti dans l'espace, qui maximise le volume effectif indépendamment de la tolérance d'usinage et du mauvais alignement mécanique dans la construction de la cavité. J'ai surnommé cette conception de cavité « cavité à pizza » et j'ai comparé l'écart à un économiseur de pizza, qui garde les tranches intactes avec ses garnitures originales."

L'haloscope que les chercheurs ont utilisé pour mener leur expérience est le résultat d'environ deux ans de recherches basées sur des simulations, suivi de la fabrication de nombreux prototypes. Dans leur récente étude, il a été utilisé pour effectuer une recherche de matière noire axionique à l'aide d'un aimant supraconducteur 9T à une température de 2 Kelvin (-271 °C). Cela a permis aux chercheurs de balayer rapidement une gamme de fréquences de> 200 MHz au-dessus de 3 GHz, ce qui est 4 à 5 fois supérieur à celui couvert par l'expérience ADMX.

"Même si nous n'avons observé aucun signal de type axion, nous avons démontré avec succès que la cavité multicellulaire serait capable de détecter des signaux haute fréquence avec des performances et une fiabilité élevées, " a déclaré Youn. "Nous avons également calculé qu'en raison du volume plus important et de l'efficacité plus élevée, cette nouvelle conception de cavité peut nous permettre d'explorer la gamme de fréquences donnée 4 fois plus rapidement que la gamme conventionnelle. Je fais souvent une déclaration humoristique mais significative :« Si une expérience traditionnelle prend 4 ans pour sonder quelque chose, notre expérience ne prendra qu'un an. Notre doctorat les étudiants peuvent obtenir leur diplôme beaucoup plus rapidement que les autres.'"

L'étude menée par Youn et ses collègues prouve la valeur et le potentiel de l'haloscope à cavité pizza qu'ils ont développé pour effectuer des recherches de matière noire invisible dans les régions à haute fréquence. À l'avenir, elle pourrait ainsi faciliter la recherche de ce type de matière insaisissable et peut-être même permettre un jour sa détection.

"Actuellement, notre centre se prépare également à des expérimentations en greffant plusieurs alvéoles à pizza sur les systèmes existants pour rechercher des axions de fréquence encore plus élevée, " Tu as ajouté.

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