Kan den doughnut-formede magnet CAPPuccino ubåd jage efter mørkt stof?

Selvom det lyder svært at tro, alt, hvad vi ser med det blotte øje eller gennem mikroskoper og teleskoper, tegner sig kun for 4 procent af det kendte univers. Resten omfatter mørk energi (69 procent) og mørkt stof (27 procent). Selvom der synes at være mere mørkt stof end synligt stof i universet, vi har stadig ikke været i stand til direkte at opdage det. Årsagen er, at mørkt stof ikke udsender lys eller absorberer elektromagnetiske bølger, så det er virkelig svært at observere. Interessant nok, mørkt stof er nødvendigt for at forklare bevægelser af galakser og nogle af de nuværende teorier om galaksedannelse og udvikling. For eksempel, galaksen, der indeholder vores solsystem, Mælkevejen, synes at være omsluttet af en meget større glorie af mørkt stof; omend usynlig, dens eksistens udledes af dens virkninger på stjerners og gassers bevægelser.

Selvom partikler af mørkt stof ikke er blevet fundet indtil nu, videnskabsmænd ved, at disse partikler har en meget lille masse og er fordelt i hele universet. En kandidat i mørkt stof er aksionen. Axioner har ekstremt svage interaktioner med stof, og derfor har forskere brug for specielt udstyr til at fange deres tilstedeværelse. Specifikt, forskere bruger den såkaldte axion til to-foton-koblingsteknik, hvilket udnytter det faktum, at en aksion, der passerer gennem et stærkt magnetfelt, kan interagere med en foton og konvertere til en anden foton. For at registrere denne interaktion, IBS -forskere er i gang med at bygge haloskoper i Daejeon i Sydkorea.

Haloskoper indeholder resonanshulrum nedsænket i et ekstra stærkt magnetfelt. "Enkelt sagt, du kan forestille dig resonanshulen som en cylinder, som en sodavand, hvor energien af ​​fotoner genereret fra interaktionen mellem axioner og fotoner forstærkes, "forklarer KO Byeong Rok, første forfatter til denne undersøgelse.

Magneterne, der bruges til disse typer af eksperimenter, har formen af ​​en spole, der er viklet ind i en spiral, teknisk kendt som en solenoid. Imidlertid, afhængig af magnetens højde, der er risiko for at miste signalet fra axion-foton-interaktionen. Af denne grund, IBS -forskere besluttede at se dybere ind i en anden type magneter formet som donuts, kaldet toroidale magneter.

"Magneter er det vigtigste træk ved haloskopet, og også den dyreste. Mens andre eksperimenter, der søger at opdage mørkt stof rundt om i verden, bruger magnetventiler, vi er de første til at prøve at bruge toroidmagneter. Da de aldrig har været brugt før, du kan ikke let købe udstyret, så vi udvikler det selv, "forklarer professor Ko.

For at jagte aksionen, forskere skal ud foran det, og forudsige størrelsen af ​​den elektromagnetiske energi, der forventes fra axion-til-fotonkonvertering. Elektromagnetisk energi er summen af ​​elektriske og magnetiske energier. Begge kan let beregnes for en magnetmagnet, men hvis magneten er toroidal, det er praktisk talt umuligt at beregne magnetisk energi analytisk. På grund af dette, man mente, at toroidformede magneter ikke kunne bruges til haloskopet.

Dette papir fra IBS viser det modsatte. Ud fra en justeret version af Maxwell -ligningen, som definerer, hvordan ladede partikler giver anledning til elektriske og magnetiske kræfter, forskere fandt ud af, at elektrisk energi og magnetisk energi fra axion-foton-interaktionen er ens i begge typer magneter. Derfor, selvom den magnetiske energi i en toroidmagnet er ukendt, for at opnå den elektromagnetiske energi, som er summen af ​​de to, det er muligt at fordoble den elektriske energi og opnå den magnetiske energi.

Et andet fund er, at energien, der udsendes fra vekselvirkningen og omdannelsen af ​​axionen til foton, er uafhængig af hulrummets position inde i en magnetmagnet. Imidlertid, dette er ikke tilfældet for toroidmagneter.

IBS CAPP -forskere har tilnavnet toroidalhulen "CAPPuccino -ubåd", fordi dens farve ligner drikkevaren, og dens særlige form. Alle de teoretiske fund, der er offentliggjort i dette papir, vil danne en solid baggrund for udvikling og prototyping af nye maskiner til søgning efter mørkt stof.