A pesar de su masa diminuta que desaparece, la existencia del axión, una vez probado, puede apuntar a una nueva física más allá del modelo estándar. Teorizado para explicar un problema de simetría fundamental en la fuerte fuerza nuclear asociada con el desequilibrio materia-antimateria en nuestro universo, esta partícula hipotética también es una atractiva candidata a materia oscura. Aunque los axiones existirían en cantidades lo suficientemente grandes como para poder dar cuenta de la masa "faltante" del universo, la búsqueda de esta materia oscura ha sido bastante desafiante hasta ahora.

Los científicos creen que cuando un axión interactúa con un campo magnético, su energía se convertiría en un fotón. Se espera que el fotón resultante esté en algún lugar del rango de frecuencia de microondas. Con la esperanza de encontrar la combinación adecuada para el axión, los experimentadores usan un detector de microondas, un haloscopio de cavidad. Tener un resonador cilíndrico colocado en un solenoide, el campo magnético que llena la cavidad mejora la señal. El haloscopio también permite a los científicos ajustar continuamente la frecuencia de resonancia de la cavidad. Sin embargo, el experimento de búsqueda de axiones más sensible, el Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) de la Universidad de Washington ha estado buscando regiones de baja frecuencia, por debajo de 1 GHz, ya que el escaneo de regiones de mayor frecuencia requiere un radio de cavidad más pequeño, resultando en una pérdida de volumen significativa y por lo tanto menos señal. (Figura 1- (2))

Un equipo de investigación dirigido por el Dr. YOUN SungWoo en el Centro de Investigación de Física de Precisión y Axiones (CAPP) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en Corea del Sur, ha desarrollado un novedoso diseño de cavidad de celdas múltiples, apodado "cavidad de pizza". Al igual que las pizzas se cortan en varias rodajas, múltiples particiones dividen verticalmente el volumen de la cavidad en piezas idénticas (celdas). Casi sin volumen que perder este haloscopio de células múltiples permite la salida significativa de la exploración de la región de alta frecuencia. (Figura 1- (5)). Aunque se hicieron esfuerzos para agrupar cavidades más pequeñas y combinar señales individuales con todas las cavidades sintonizadas en la misma frecuencia, su configuración complicada y su mecanismo de ajuste de frecuencia no trivial han sido cuellos de botella. (Figura 1- (3)). "El haloscopio de cavidad de pizza presenta una configuración de detector más simple y un mecanismo de ajuste de fase único, así como un volumen de detección más grande en comparación con el diseño convencional de múltiples cavidades, "señala el Dr. YOUN SungWoo, el autor correspondiente del estudio.

Los investigadores demostraron que la cavidad de múltiples celdas era capaz de detectar señales de alta frecuencia con mayor eficiencia y confiabilidad. En un experimento con un imán superconductor 9T a una temperatura de 2 kelvin (−271 ° C), el equipo escaneó rápidamente un rango de frecuencia de> 200 MHz por encima de 3 GHz, que es una región 4 ~ 5 veces más alta que la de ADMX, lo que produce una mayor sensibilidad a los modelos teóricos que los resultados anteriores realizados por otros experimentos. Además, este nuevo diseño de cavidad permitió a los investigadores explorar un rango de frecuencia dado cuatro veces más rápido de lo que podría hacerlo un experimento convencional. "Hacer las cosas cuatro veces más rápido". El Dr. Youn agrega en broma:"Con este diseño de cavidad de celdas múltiples, nuestro Ph.D. los estudiantes deberían poder graduarse más rápido que los de otros laboratorios ".

Lo que hace que este diseño de múltiples celdas sea fácil de operar es el espacio entre las particiones en el medio. Tener todas las celdas conectadas espacialmente, una sola antena capta la señal de todo el volumen. "Como un ahorrador de pizza mantiene intactas las porciones de pizza con sus ingredientes originales, el espacio intermedio ayuda a las células a estar a la altura del trabajo, "dice el Dr. Youn. La antena única también permite a los investigadores evaluar si los campos electromagnéticos inducidos por axiones están distribuidos uniformemente por toda la cavidad, que se considera crítico para lograr el máximo volumen efectivo. "Todavía, la inexactitud y la desalineación en la construcción de la cavidad podrían obstaculizar la sensibilidad. Para eso, este diseño de celdas múltiples permite aliviarlo ajustando el tamaño del espacio en el medio, sin dejar volumen para desperdiciar, "explica el Dr. Youn.

Los extensos esfuerzos de dos años del equipo de investigación dieron como resultado un diseño óptimo para la búsqueda largamente buscada de materia oscura de axiones en regiones de alta frecuencia. El equipo está buscando incorporar varias cavidades de múltiples células en los sistemas existentes en CAPP para extender la banda de búsqueda de axiones a regiones de mayor frecuencia que las que se exploran actualmente.