Även om det låter svårt att tro, allt vi ser med blotta ögat eller genom mikroskop och teleskop står för bara 4 procent av det kända universum. Resten består av mörk energi (69 procent) och mörk materia (27 procent). Även om det verkar finnas mer mörk materia än synlig materia i universum, vi har fortfarande inte kunnat upptäcka det direkt. Anledningen är att mörk materia inte avger ljus eller absorberar elektromagnetiska vågor, så det är verkligen svårt att observera. Intressant, mörk materia behövs för att förklara galaxernas rörelser och några av de nuvarande teorierna om galaxbildning och utveckling. Till exempel, galaxen som innehåller vårt solsystem, Vintergatan, verkar omsluts av en mycket större gloria av mörk materia; om än osynlig, dess existens härledas genom dess effekter på rörelser av stjärnor och gaser.

Även om partiklar av mörk materia inte hittats hittills, vetenskapsmän vet att dessa partiklar har en mycket liten massa och distribueras över hela universum. En partikelkandidat i mörk materia är axionen. Axioner har extremt svaga interaktioner med materia och därför behöver forskare specialutrustning för att fånga deras närvaro. Specifikt, forskare använder den så kallade axion till två-fotonkopplingstekniken, vilket drar nytta av att en axion som passerar genom ett starkt magnetfält kan interagera med en foton och omvandlas till en annan foton. För att spela in denna interaktion, IBS -forskare håller på att bygga haloskop i Daejeon i Sydkorea.

Haloskop innehåller resonanshåligheter nedsänkta i ett extra starkt magnetfält. "I enkla termer, du kan avbilda resonanshålan som en cylinder, som en läskedryck, där energin hos fotonerna som genereras från axioner-fotoner-interaktionen förstärks, "förklarar KO Byeong Rok, första författare till denna studie.

Magneterna som används för dessa typer av experiment har formen av en spole som lindas till en spiral, tekniskt känd som en solenoid. Dock, beroende på magnetens höjd, det finns risk att förlora signalen från axion-foton-interaktionen. Av denna anledning, IBS -forskare bestämde sig för att titta djupare på en annan typ av magneter formade som munkar, kallas toroidmagneter.

"Magneter är det viktigaste inslaget i haloskopet, och också den dyraste. Medan andra experiment som försöker upptäcka mörk materia runt om i världen använder magnetmagneter, vi är de första som försöker använda toroidmagneter. Eftersom de aldrig har använts tidigare, du kan inte enkelt köpa utrustningen, så vi utvecklar det själva, "förklarar professor Ko.

För att jaga axionen, forskare måste komma ut framför det, och förutsäga storleken på den elektromagnetiska energin som förväntas från axion-till-fotonomvandlingen. Elektromagnetisk energi är summan av elektriska och magnetiska energier. Båda kan enkelt beräknas för en magnetmagnet, men om magneten är toroidal, det är praktiskt taget omöjligt att beräkna magnetenergin analytiskt. På grund av detta, man trodde att toroidmagneter inte kunde användas för haloskopet.

Detta papper från IBS visar motsatsen. Utgående från en justerad version av Maxwell -ekvationen, som definierar hur laddade partiklar ger upphov till elektriska och magnetiska krafter, forskare fann att elektrisk energi och magnetisk energi från axion-foton-interaktionen är lika i båda typerna av magneter. Därför, även om magnetenergin hos en toroidmagnet är okänd, för att erhålla den elektromagnetiska energin som är summan av de två, det är möjligt att fördubbla den elektriska energin och erhålla den magnetiska energin.

En annan upptäckt är att energin som avges från växelverkan och omvandlingen av axionen till foton är oberoende av kavitetens position inuti en magnetmagnet. Dock, detta är inte fallet för toroidmagneter.

IBS CAPP -forskare har smeknamnet toroidalhålan "CAPPuccino ubåt" eftersom dess färg liknar drycken, och dess speciella form. Alla teoretiska fynd som publiceras i detta dokument kommer att utgöra en solid bakgrund för utveckling och prototyper av nya maskiner för sökning av mörk materia.