Anche se sembra difficile da credere, tutto ciò che vediamo ad occhio nudo o attraverso microscopi e telescopi rappresenta solo il 4% dell'universo conosciuto. Il resto comprende energia oscura (69 percento) e materia oscura (27 percento). Sebbene nell'universo sembri esserci più materia oscura che materia visibile, non siamo ancora stati in grado di rilevarlo direttamente. Il motivo è che la materia oscura non emette luce né assorbe onde elettromagnetiche, quindi è davvero difficile da osservare. interessante, la materia oscura è necessaria per spiegare i moti delle galassie e alcune delle attuali teorie sulla formazione e l'evoluzione delle galassie. Per esempio, la galassia che contiene il nostro sistema solare, la via Lattea, sembra essere avvolto da un alone molto più ampio di materia oscura; sebbene invisibile, la sua esistenza è dedotta dai suoi effetti sui moti delle stelle e dei gas.

Sebbene le particelle di materia oscura non siano state finora rilevate, gli scienziati sanno che queste particelle hanno una massa molto piccola e sono distribuite in tutto l'universo. Una particella di materia oscura candidata è l'assione. Gli assioni hanno interazioni estremamente deboli con la materia e quindi gli scienziati hanno bisogno di attrezzature speciali per rilevare la loro presenza. Nello specifico, gli scienziati usano la cosiddetta tecnica di accoppiamento da assione a due fotoni, che sfrutta il fatto che un assone che attraversa un forte campo magnetico può interagire con un fotone e convertirsi in un altro fotone. Per registrare questa interazione, Gli scienziati dell'IBS stanno costruendo degli aloscopi a Daejeon, in Corea del Sud.

Gli aloscopi contengono cavità risonanti immerse in un campo magnetico extra forte. "In parole povere, puoi immaginare la cavità risonante come un cilindro, come una lattina di bibita, dove viene amplificata l'energia dei fotoni generati dall'interazione assioni-fotoni, " spiega KO Byeong Rok, primo autore di questo studio.

I magneti utilizzati per questi tipi di esperimenti hanno la forma di una bobina avvolta in un'elica, tecnicamente noto come solenoide. Però, a seconda dell'altezza del magnete, c'è il rischio di perdere il segnale proveniente dall'interazione asione-fotone. Per questa ragione, Gli scienziati dell'IBS hanno deciso di approfondire un altro tipo di magneti a forma di ciambelle, chiamati magneti toroidali.

"I magneti sono la caratteristica più importante dell'aloscopio, e anche il più costoso. Mentre altri esperimenti che cercano di rilevare la materia oscura in tutto il mondo utilizzano magneti a solenoide, siamo i primi a provare ad utilizzare i magneti toroidali. Poiché non sono mai stati utilizzati prima, non puoi facilmente acquistare l'attrezzatura, quindi lo sviluppiamo noi stessi, " spiega il professor Ko.

Per cacciare l'assone, gli scienziati devono affrontarlo, e prevedere l'entità dell'energia elettromagnetica attesa dalla conversione da assioni a fotoni. L'energia elettromagnetica è la somma delle energie elettriche e magnetiche. Entrambi possono essere facilmente calcolati per un magnete a solenoide, ma se il magnete è toroidale, è praticamente impossibile calcolare analiticamente l'energia magnetica. A causa di ciò, si credeva che i magneti toroidali non potessero essere usati per l'aloscopio.

Questo articolo di IBS mostra il contrario. Partendo da una versione corretta dell'equazione di Maxwell, che definisce come le particelle cariche danno origine a forze elettriche e magnetiche, gli scienziati hanno scoperto che l'energia elettrica e l'energia magnetica dall'interazione asione-fotone sono uguali in entrambi i tipi di magneti. Perciò, anche se l'energia magnetica di un magnete toroidale è sconosciuta, per ottenere l'energia elettromagnetica che è la somma delle due, è possibile raddoppiare l'energia elettrica e ottenere l'energia magnetica.

Un'altra scoperta è che l'energia emessa dall'interazione e dalla conversione dell'assone in fotone è indipendente dalla posizione della cavità all'interno di un magnete a solenoide. Però, questo non è il caso dei magneti toroidali.

Gli scienziati di IBS CAPP hanno soprannominato la cavità toroidale "sottomarino CAPPuccino" perché il suo colore ricorda la bevanda, e la sua forma particolare. Tutte le scoperte teoriche pubblicate in questo articolo formeranno un solido background per lo sviluppo e la prototipazione di nuove macchine per la ricerca della materia oscura.