Un orchestre de cent violons joue dans une immense salle. Le chef d'orchestre se tient devant eux, mais il ne parvient pas à faire sonner les instruments à l'unisson : chaque archet bouge à son propre rythme, et la musique se dissout en bruit. Voilà à peu près le problème de la recherche des axions : ces particules de matière noire qui, pense-t-on, nous traversent chaque seconde ne se transforment en photons micro-ondes que si les conditions coïncident avec une précision extrême. Pour entendre ce murmure, il faut à la fois un microphone sensible et un ensemble parfaitement accordé.
L'instrument DALI capte ce signal grâce à un ensemble de plaques diélectriques parallèles plongées dans un champ magnétique. Quand un axion traverse une telle plaque, une faible onde électromagnétique naît à sa surface. Chaque plaque émet l'onde de son côté, et si leurs phases ne coïncident pas, elles s'annulent. Mais si l'on dispose les plaques aux bonnes distances, leurs rayonnements s'additionnent, comme les voix d'une chorale chantant la même note. C'est la sommation cohérente, premier mécanisme d'amplification.
Le second mécanisme est l'accumulation résonante. Entre les plaques et un miroir conducteur se forme un résonateur Fabry–Perot semi-ouvert : la lumière fait des allers-retours entre le miroir et le réseau, en se réfléchissant de nombreuses fois. Bien accordée, l'onde qui a effectué de nombreux trajets s'amplifie elle-même, et le signal faible s'accumule jusqu'à un niveau mesurable. Le résultat clé de l'article : ces deux mécanismes sont indépendants. La cohérence des surfaces détermine la quantité d'énergie qui entre dans le mode en un seul passage, tandis que le facteur de qualité du résonateur fixe le nombre de réflexions que l'onde effectuera avant de s'atténuer.
Les auteurs décomposent la puissance de sortie de l'instrument en quatre facteurs : la puissance de référence issue du miroir magnétisé, la projection transverse de la source sur le mode voulu, le facteur de qualité chargé et le coefficient d'extraction de l'énergie par le port. Il s'avère que la projection transverse est le seul facteur qui dépende de la figure de phase du rayonnement des plaques. Tout le reste est déterminé par la géométrie du résonateur et ne change pas lorsqu'on réaccorde le réseau.
La conclusion pratique est simple : pour étalonner DALI, inutile de modéliser une source axionique distribuée. Il suffit d'éclairer l'instrument avec une source micro-ondes externe, de mesurer le facteur de qualité et le coefficient de couplage : ces paramètres se transposeront sans modification à l'excitation axionique. Un tel étalonnage lève le principal obstacle à la conception des haloscopes de nouvelle génération.
L'orchestre s'est de nouveau réuni dans la salle. Cette fois, le chef d'orchestre le sait : pour que les violons sonnent à l'unisson, pas besoin de rééduquer chaque musicien, il suffit de bien placer les pupitres et de choisir le tempo. Il en va de même dans DALI : la cohérence des surfaces se règle une fois pour toutes, et le résonateur fait le reste du travail, accumulant le faible signal axionique jusqu'à le rendre audible. Cela ouvre la voie à la recherche de la matière noire aux fréquences où les détecteurs précédents restaient sourds.
Le prototype DALI utilise des plaques céramiques en oxyde de zirconium stabilisé à l'yttrium, épaisses de seulement 1 mm, et le facteur de qualité croît linéairement avec le nombre de couches jusqu'à 20, indépendamment de la parité de leur nombre.