Embora pareça difícil de acreditar, tudo o que vemos a olho nu ou por meio de microscópios e telescópios representa apenas 4% do universo conhecido. O resto compreende energia escura (69 por cento) e matéria escura (27 por cento). Embora pareça haver mais matéria escura do que matéria visível no universo, ainda não fomos capazes de detectá-lo diretamente. A razão é que a matéria escura não emite luz nem absorve ondas eletromagnéticas, então é realmente difícil de observar. Interessantemente, a matéria escura é necessária para explicar os movimentos das galáxias e algumas das teorias atuais de formação e evolução de galáxias. Por exemplo, a galáxia que contém nosso sistema solar, a via Láctea, parece estar envolvido por um halo muito maior de matéria escura; embora invisível, sua existência é inferida por meio de seus efeitos nos movimentos das estrelas e gases.

Embora partículas de matéria escura não tenham sido detectadas até agora, os cientistas sabem que essas partículas têm uma massa muito pequena e estão distribuídas por todo o universo. Um candidato a partícula de matéria escura é o axion. Os axions têm interações extremamente fracas com a matéria e, portanto, os cientistas precisam de equipamentos especiais para detectar sua presença. Especificamente, os cientistas usam a chamada técnica de acoplamento de axião a dois fótons, que tira vantagem do fato de que um axião passando por um forte campo magnético pode interagir com um fóton e se converter em outro fóton. Para registrar esta interação, Cientistas do IBS estão construindo haloscópios em Daejeon, na Coréia do Sul.

Haloscópios contêm cavidades ressonantes imersas em um campo magnético extraforte. "Em termos simples, você pode imaginar a cavidade ressonante como um cilindro, como uma lata de refrigerante, onde a energia dos fótons gerados a partir da interação axions-fótons é amplificada, "explica KO Byeong Rok, primeiro autor deste estudo.

Os ímãs usados ​​para esses tipos de experimentos têm a forma de uma bobina enrolada em uma hélice, tecnicamente conhecido como solenóide. Contudo, dependendo da altura do ímã, existe o risco de perder o sinal proveniente da interação axião-fóton. Por esta razão, Os cientistas do IBS decidiram olhar mais profundamente para outro tipo de ímã em forma de donuts, chamados ímãs toroidais.

"Os ímãs são a característica mais importante do haloscópio, e também o mais caro. Enquanto outros experimentos que buscam detectar matéria escura em todo o mundo usam ímãs de solenóide, somos os primeiros a tentar usar ímãs toroidais. Como nunca foram usados ​​antes, você não pode comprar facilmente o equipamento, então nós mesmos o desenvolvemos, "explica o professor Ko.

A fim de caçar o axion, os cientistas precisam sair na frente disso, e prever a magnitude da energia eletromagnética esperada da conversão do axião em fóton. A energia eletromagnética é a soma das energias elétrica e magnética. Ambos podem ser facilmente calculados para um ímã solenóide, mas se o ímã é toroidal, é praticamente impossível calcular a energia magnética analiticamente. Por causa disso, acreditava-se que os ímãs toroidais não podiam ser usados ​​para o haloscópio.

Este artigo da IBS mostra o oposto. A partir de uma versão ajustada da equação de Maxwell, que define como as partículas carregadas dão origem a forças elétricas e magnéticas, os cientistas descobriram que a energia elétrica e a energia magnética da interação axião-fóton são iguais em ambos os tipos de ímãs. Portanto, mesmo que a energia magnética de um ímã toroidal seja desconhecida, a fim de obter a energia eletromagnética, que é a soma das duas, é possível dobrar a energia elétrica e obter a energia magnética.

Outra descoberta é que a energia emitida a partir da interação e conversão do axião em fóton é independente da posição da cavidade dentro de um ímã solenóide. Contudo, este não é o caso dos ímãs toroidais.

Cientistas do IBS CAPP apelidaram a cavidade toroidal de "submarino CAPPuccino" porque sua cor lembra a da bebida, e sua forma particular. Todos os achados teóricos publicados neste artigo vão formar uma base sólida para o desenvolvimento e prototipagem de novas máquinas para a busca de matéria escura.