Aunque suene difícil de creer, todo lo que vemos a simple vista oa través de microscopios y telescopios representa solo el 4 por ciento del universo conocido. El resto comprende energía oscura (69 por ciento) y materia oscura (27 por ciento). Aunque parece haber más materia oscura que materia visible en el universo, todavía no hemos podido detectarlo directamente. La razón es que la materia oscura no emite luz ni absorbe ondas electromagnéticas, por lo que es realmente difícil de observar. Curiosamente, Se necesita materia oscura para explicar los movimientos de las galaxias y algunas de las teorías actuales sobre la formación y evolución de las galaxias. Por ejemplo, la galaxia que contiene nuestro sistema solar, la vía Láctea, parece estar envuelto por un halo mucho más grande de materia oscura; aunque invisible, su existencia se infiere a través de sus efectos sobre los movimientos de estrellas y gases.

Aunque hasta ahora no se han detectado partículas de materia oscura, Los científicos saben que estas partículas tienen una masa muy pequeña y están distribuidas por todo el universo. Un candidato a partícula de materia oscura es el axión. Los axiones tienen interacciones extremadamente débiles con la materia, por lo que los científicos necesitan equipos especiales para detectar su presencia. Específicamente, Los científicos utilizan la llamada técnica de acoplamiento de axiones a dos fotones, que aprovecha el hecho de que un axión que pasa a través de un fuerte campo magnético puede interactuar con un fotón y convertirse en otro fotón. Para registrar esta interacción, Los científicos del IBS están construyendo haloscopios en Daejeon en Corea del Sur.

Los haloscopios contienen cavidades resonantes inmersas en un campo magnético extrafuerte. "En lenguaje sencillo, puedes imaginar la cavidad resonante como un cilindro, como una lata de refresco, donde se amplifica la energía de los fotones generados a partir de la interacción axiones-fotones, "explica KO Byeong Rok, primer autor de este estudio.

Los imanes utilizados para este tipo de experimentos tienen la forma de una bobina enrollada en una hélice, técnicamente conocido como solenoide. Sin embargo, dependiendo de la altura del imán, existe el riesgo de perder la señal proveniente de la interacción axión-fotón. Por esta razón, Los científicos del IBS decidieron profundizar en otro tipo de imanes con forma de rosquilla, llamados imanes toroidales.

"Los imanes son la característica más importante del haloscopio, y también el más caro. Mientras que otros experimentos que buscan detectar materia oscura en todo el mundo utilizan imanes de solenoide, somos los primeros en intentar utilizar imanes toroidales. Dado que nunca se han utilizado antes, no se puede comprar fácilmente el equipo, así que lo desarrollamos nosotros mismos, "explica el profesor Ko.

Para cazar el axión, los científicos necesitan salir adelante, y predecir la magnitud de la energía electromagnética esperada de la conversión de axión a fotón. La energía electromagnética es la suma de las energías eléctrica y magnética. Ambos se pueden calcular fácilmente para un imán de solenoide, pero si el imán es toroidal, es prácticamente imposible calcular analíticamente la energía magnética. Debido a esto, Se creía que los imanes toroidales no podían usarse para el haloscopio.

Este artículo de IBS muestra lo contrario. Partiendo de una versión ajustada de la ecuación de Maxwell, que define cómo las partículas cargadas dan lugar a fuerzas eléctricas y magnéticas, Los científicos descubrieron que la energía eléctrica y la energía magnética de la interacción axión-fotón son iguales en ambos tipos de imanes. Por lo tanto, aunque se desconoce la energía magnética de un imán toroidal, para obtener la energía electromagnética que es la suma de los dos, es posible duplicar la energía eléctrica y obtener la energía magnética.

Otro hallazgo es que la energía emitida por la interacción y conversión del axión en fotón es independiente de la posición de la cavidad dentro de un imán de solenoide. Sin embargo, este no es el caso de los imanes toroidales.

Los científicos de IBS CAPP han apodado la cavidad toroidal "submarino CAPPuccino" porque su color se asemeja a la bebida, y su forma particular. Todos los hallazgos teóricos publicados en este artículo van a formar una base sólida para el desarrollo y prototipado de nuevas máquinas para la búsqueda de materia oscura.