تحلیلی از داده‌های تقدیم اسپین در اتم‌ها و نوترون‌ها، سخت‌ترین حدها تا به امروز را بر قدرت برهم‌کنش‌های بین اکسیون‌ها و گلوئون‌ها یا نوکلئون‌ها می‌گذارد.

کشش گرانشی ماده‌ی تاریک از راه تاثیرش بر چرخش کهکشان‌ها مشاهده شده‌است. ولی ماده‌ی تاریک می‌تواند به طور غیر گرانشی هم با ماده‌ی مرئی برهم‌کنش کند. پژوهش‌گران اکنون از آزمایش‌های تقدیم اسپین در اتم‌ها و نوترون‌ها برای جست‌وجوی آثار برهم‌کنش‌های غیر گرانشی شامل یکی از نامزدهای ماده‌ی تاریک، یعنی اکسیون‌ها، استفاده کرده‌اند. در حالی که این جست‌وجو نتواست اکسیون‌ها را پیدا کند، ولی قید‌های سختی بر قدرت برهم‌کنش ممکن بین اکسیون‌ها و نوکلئون‌ها یا گلوئون‌ها گذاشت.

اکسیون‌ها چنان نظریه‌پردازی شده‌اند که ذره‌هایی کند-حرکت باشند که میلیاردها برابر سبک‌تر از الکترون‌اند. بنا بر این، برای به حساب آوردن همه‌ی ماده‌ی گم‌شده، باید شمار بسیار زیادی اکسیون وجود داشته باشد که کهکشان‌ها را مانند یک شاره پر می‌کند. از راه برهم‌کنش‌های خفیف با ماده‌ی مرئي، این شاره‌ی اکسیونی می‌تواند نوسان‌هایی در حرکت اسپین‌های هسته‌ای یا در ممان‌های دوقطبی الکتریکی ذرات زیراتمی القا کند. این نوسان‌ها گرچه کوچک‌اند، ولی قابل آشکارسازی‌اند.

هم‌کاری بین‌المللی ممان دوقطبی الکتریکی نوترون (nEDM) در بنیاد Paul Scherrer در شهر ویلیجن سوییس، هم‌گام با نظریه‌پردازان، چنین نوسان‌هایی را در داده‌های انتشاریافته از دو آزمایش پیشین تقدیم اسپین جست‌وجو کرده‌اند. آن آزمایش‌ها بس‌آمدهای تقدیم ممان‌های مغناطیسی در اتم‌های جیوه-۱۹۹ و در نوترون‌های فراسرد در معرض میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را اندازه‌گیری کرده‌بودند که از آن، ممان دوقطبی الکتریکی ذره‌ها به دست آمد. اگر گلوئون‌ها و نوکلئون‌های درون نوترون‌ها در طول آزمایش با اکسیون‌ها برهم‌کنش داشته‌باشند، داده‌ها باید نوسان‌های هم‌آهنگ با بسامدهایی بین نانوهرتز تا میلی‌هرتز را، بسته به جرم اکسیون، نشان دهند. نبود نشانه‌های نوسان به این گروه اجازه می‌هد که اولین حدهای آزمایشگاهی را بر قدرت برهم‌کنش‌های اکسیون با گلوئون‌ها بگذارند که نسبت به حدهای به‌دست‌آمده از مشاهده‌های اخترفیزیکی هلیوم-۴، هزار برابر بهتر شده‌اند. آنان هم‌چنین بهترین حد را روی قدرت جفت‌شدگی اکسیون-نوکلئون برای مشاهده‌های آزمایشگاهی به دست آورده‌اند.

این پژوهش در Physical Review X انتشار یافته‌است.

منبع: New Constraints on Axion-Gluon Interaction Strength

مرجع: Search for Axionlike Dark Matter through Nuclear Spin Precession in Electric and Magnetic Fields