Trots sin försvinnande lilla massa, axionens existens, en gång bevisat, kan peka på ny fysik utöver standardmodellen. Teoretiserade att förklara ett grundläggande symmetriproblem i den starka kärnkraft som är associerad med materia-antimateriaobalansen i vårt universum, denna hypotetiska partikel gör också en attraktiv kandidat för mörk materia. Även om axioner skulle finnas i tillräckligt stora antal för att kunna redogöra för den "saknade" massan från universum, sökandet efter denna mörka materia har varit ganska utmanande hittills.

Forskare tror att när en axion interagerar med ett magnetfält, dess energi skulle omvandlas till en foton. Den resulterande fotonen förväntas vara någonstans i mikrovågsfrekvensområdet. I hopp om att träffa rätt match för axionen, experimenter använder en mikrovågsdetektor, ett kavitetshaloskop. Med en cylindrisk resonator placerad i en solenoid, magnetfältet som fyller hålrummet förstärker signalen. Haloskopet gör det också möjligt för forskare att kontinuerligt justera hålighetens resonansfrekvens. Dock, det mest känsliga axion-sökningsexperimentet, Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) vid University of Washington har sökt lågfrekventa regioner, under 1 GHz, eftersom skanning av högre frekvensområden kräver en mindre hålrumsradie, vilket resulterar i betydande volymförlust och därmed mindre signal. (Figur 1- (2))

Ett forskargrupp, ledd av Dr. YOUN SungWoo vid Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) inom Institute for Basic Science (IBS) i Sydkorea, har utvecklat en ny design med flera celler, kallad "pizzahålighet". Precis som pizzor skärs i flera skivor, flera partitioner vertikalt dela kavitetsvolymen i identiska bitar (celler). Med nästan ingen volym att tappa, detta flercelliga haloskop möjliggör meningsfull utmatning av högfrekvent regionskanning. (Figur 1- (5)). Även om det fanns försök att bunta ihop mindre hålrum och kombinera individuella signaler med alla håligheter inställda på samma frekvens, dess komplicerade installation och icke-triviala frekvensmatchningsmekanism har varit flaskhalsar. (Figur 1- (3)). "Pizzakavitetshaloskopet har en enklare detektorinställning och en unik fasmatchningsmekanism samt en större detektionsvolym jämfört med den konventionella flerkavitetsdesignen, "konstaterar Dr. YOUN SungWoo, motsvarande författare till studien.

Forskarna bevisade att flercellshålan kunde upptäcka högfrekventa signaler med förbättrad effektivitet och tillförlitlighet. I ett experiment med en 9T-supraledande magnet vid en temperatur av 2 kelvin (-271 ° C), teamet skannade snabbt ett frekvensintervall på> 200 MHz över 3 GHz, vilket är 4 ~ 5 gånger högre region än ADMX, vilket ger högre känslighet för teoretiska modeller än de tidigare resultaten från andra experiment. Även denna nya kavitetsdesign gjorde det möjligt för forskarna att utforska ett givet frekvensintervall fyra gånger snabbare än ett konventionellt experiment kunde. "Få saker gjort fyra gånger snabbare." Dr Youn tillägger skämtsamt, "Med hjälp av denna flercelliga kavitetsdesign, vår doktorand studenter ska kunna ta examen snabbare än i andra laboratorier. "

Det som gör denna flercellsdesign enkel att använda är gapet mellan partitioner i mitten. Att ha alla celler rumsligt anslutna, en enda antenn tar upp signalen från hela volymen. "Som pizzasparare håller pizzaskivorna intakta med sina ursprungliga toppings, gapet däremellan hjälper cellerna att klara jobbet, "säger Dr Youn. Den enda antennen gör det också möjligt för forskare att bedöma om de axioninducerade elektromagnetiska fälten är jämnt fördelade i hela kaviteten, vilket befinner sig vara avgörande för att uppnå maximal effektiv volym. "Fortfarande, felaktigheten och felinriktningen i hålighetskonstruktion kan hämma känsligheten. För det, denna flercelliga design gör det möjligt att avlasta den genom att justera storleken på gapet i mitten, lämnar ingen volym att gå till spillo, "förklarar Dr Youn.

Forskargruppens tvååriga omfattande insatser resulterade i en optimal design för långsökt sökning av axion mörk materia i högfrekventa regioner. Teamet funderar på att införliva flera flercelliga hålrum i de befintliga systemen vid CAPP för att utöka axionssökbandet till regioner med högre frekvens än för närvarande.