Apesar de sua massa cada vez menor, a existência do áxion, uma vez provado, pode apontar para uma nova física além do Modelo Padrão. Teorizado para explicar um problema de simetria fundamental na força nuclear forte associada ao desequilíbrio matéria-antimatéria em nosso universo, esta partícula hipotética também é uma candidata atraente à matéria escura. Embora os áxions existissem em grande número o suficiente para ser capaz de explicar a massa "ausente" do universo, a busca por esta matéria escura tem sido bastante desafiadora até agora.

Os cientistas acreditam que quando um axion interage com um campo magnético, sua energia seria convertida em um fóton. Espera-se que o fóton resultante esteja em algum lugar na faixa de frequência de micro-ondas. Na esperança de acertar o jogo certo para o axion, experimentalistas usam um detector de microondas, um haloscópio de cavidade. Ter um ressonador cilíndrico colocado em um solenóide, o campo magnético que preenche a cavidade aumenta o sinal. O haloscópio também permite que os cientistas ajustem continuamente a frequência de ressonância da cavidade. Contudo, o experimento de busca axion mais sensível, o Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) da Universidade de Washington tem pesquisado regiões de baixa frequência, abaixo de 1 GHz, como a varredura de regiões de frequência mais alta requer um raio de cavidade menor, resultando em perda significativa de volume e, portanto, menos sinal. (Figura 1- (2))

Uma equipe de pesquisa, liderado pelo Dr. YOUN SungWoo no Centro para Axion e Pesquisa em Física de Precisão (CAPP) dentro do Instituto de Ciências Básicas (IBS) na Coréia do Sul, desenvolveu um novo design de cavidade de células múltiplas, apelidado de "cavidade de pizza". Assim como as pizzas são cortadas em várias fatias, várias partições dividem verticalmente o volume da cavidade em peças (células) idênticas. Quase sem volume a perder, este haloscópio de múltiplas células permite a saída significativa de varredura de região de alta frequência. (Figura 1- (5)). Embora houvesse esforços para agrupar cavidades menores e combinar sinais individuais com todas as cavidades sintonizadas na mesma frequência, sua configuração complicada e mecanismo de correspondência de frequência não trivial têm sido gargalos. (Figura 1- (3)). "O haloscópio de cavidade de pizza apresenta uma configuração de detector mais simples e um mecanismo de combinação de fase exclusivo, bem como um maior volume de detecção em comparação com o design convencional de múltiplas cavidades, "observa o Dr. YOUN SungWoo, o autor correspondente do estudo.

Os pesquisadores provaram que a cavidade de múltiplas células foi capaz de detectar sinais de alta frequência com maior eficiência e confiabilidade. Em um experimento usando um ímã supercondutor 9T a uma temperatura de 2 kelvin (−271 ° C), a equipe verificou rapidamente uma faixa de frequência de> 200 MHz acima de 3 GHz, que é 4 ~ 5 vezes maior região do que a de ADMX produzindo maior sensibilidade aos modelos teóricos do que os resultados anteriores feitos por outros experimentos. Além disso, este novo projeto de cavidade permitiu aos pesquisadores explorar uma determinada faixa de frequência quatro vezes mais rápido do que um experimento convencional poderia. "Fazer as coisas quatro vezes mais rápido." O Dr. Youn acrescenta, brincando, "Usando este projeto de cavidade de células múltiplas, nosso Ph.D. os alunos devem ser capazes de se formar mais rápido do que os de outros laboratórios. "

O que torna esse design de várias células simples de operar é a lacuna entre as partições no meio. Tendo todas as células conectadas espacialmente, uma única antena capta o sinal de todo o volume. "Como um protetor de pizza mantém as fatias de pizza intactas com suas coberturas originais, a lacuna entre ajuda as células a estarem à altura do trabalho, "diz o Dr. Youn. A antena única também permite que os pesquisadores avaliem se os campos eletromagnéticos induzidos pelo axião estão uniformemente distribuídos por toda a cavidade, que é considerado crítico para atingir o volume efetivo máximo. "Ainda, a imprecisão e o desalinhamento na construção da cavidade podem prejudicar a sensibilidade. Por isso, este design de células múltiplas permite aliviá-lo ajustando o tamanho da lacuna no meio, não deixando nenhum volume para desperdiçar, "explica o Dr. Youn.

Os extensos esforços de dois anos da equipe de pesquisa resultaram em um projeto ideal para a tão procurada pesquisa de matéria escura de axion em regiões de alta frequência. A equipe está procurando incorporar várias cavidades de células múltiplas aos sistemas existentes no CAPP para estender a banda de busca do axion para regiões de alta frequência do que as exploradas atualmente.