冷中子星縮小自然界未知第五種力的搜索范圍

通過模型與實際恒星溫度的匹配，研究人員排除了中子星內部存在強第五種力的可能性。

中子星是大質量恒星坍縮后的殘留物，其密度極高，核心將質子和中子擠壓成稠密的粒子湯。這些天體在數百萬年間緩慢冷卻，將內部熱量釋放到太空。這種緩慢冷卻聽起來或許并不激動人心，但對物理學家而言，它提供了一個非凡的自然實驗室——其極端程度遠超地球上任何人工裝置。

一項最新研究揭示了這些恒星殘骸如何幫助檢驗一種新粒子假說，該粒子可能承載自然界第五種基本力。若這種粒子存在，它將徹底改變我們對引力的理解，甚至可能幫助詳細解釋暗物質。
研究作者之一埃多阿爾多·維塔利亞諾表示：“額外第五種力的存在可能預示著物理學的范式轉變，許多實驗一直致力于尋找這種力。然而，在介觀尺度（介于宏觀與微觀世界之間）探索對引力定律的偏離極具挑戰性。”

地球無法實現的實驗

尋找第五種力異常困難。在地球上，任何微小尺度上對標準引力的偏離，與實驗室中的振動、溫度變化或電噪聲相比都微乎其微。

因此，物理學家將目光投向那些環境極端到能放大最微弱效應的地方。中子星是理想選擇，其內部核子（質子和中子）的密集程度超乎想象。

如果假設的標量粒子與核子相互作用，中子星將成為它們的完美制造廠。標量粒子是一種無自旋的理論粒子。標準模型的一些擴展理論認為，它們可能與核子耦合并傳遞額外的作用力。

若該理論成立，中子星深處每個中子或質子的碰撞都會產生這類粒子，粒子隨后逃逸并帶走熱量。關鍵在于，額外的冷卻將是第五種力存在的關鍵跡象。

為驗證這一點，一個國際研究團隊建立了精細的模擬程序，追溯中子星從形成至今的演化過程。他們涵蓋了中子星所有已知的熱量損失途徑——中微子輻射、表面輻射和內部過程，并加入了標量粒子輻射的可能性。

他們將模型與實測中子星數據對比，包括被稱為“壯麗七星”的孤立X射線亮星群和脈沖星PSR J0659。

研究作者指出：“我們首次證明，如‘壯麗七星’和PSR J0659中的老年中子星，對標量-核子相互作用的限制異常嚴格——比以往任何限制強出一個數量級以上。”

界限何在？

研究團隊的邏輯很直接：如果標量粒子與核子強相互作用，現今中子星的溫度應遠低于望遠鏡觀測值。然而觀測顯示這些星體并未異常低溫，其溫度符合標準冷卻模型。

對比模擬與實際測量數據后，研究人員未發現額外熱量損失的跡象。任何標量-核子粒子與質子、中子強相互作用的假設情景，都會導致這些星體比如今望遠鏡所見的溫度低得多。

利用這一差異，研究人員推算出了新作用力的精確強度。分析表明，標量與核子的耦合強度必須弱于約?5×10?1?——這是該類粒子迄今最強的限制值。

研究作者稱：“由于未發現異常能量損失跡象，我們可以將耦合強度排除至?5×10?1?以下。我們得出的新界限，在（假設粒子質量）跨越6個數量級的范圍內，超越了所有現有對標量粒子的限制。”

接近真相，但仍未抵達

這項研究證明，宇宙本身能以實驗室無法實現的方式拓展物理學的邊界。通過排除強第五種力的可能性，研究結果有助于縮小新粒子的可能范圍，并指出哪些理論需要修正。

該工作還展示了天體物理對象（尤其是極端環境中的天體）如何揭示對引力基礎定律（如等效原理或平方反比律）的微小偏離。

然而研究存在局限：盡管中子星是絕佳的測試平臺，科學家仍未能完全理解其內部結構。

隨著模型改進以及通過新一代X射線和引力波儀器觀測到更多中子星，研究人員希望核查是否存在異常冷卻模式，以揭示新物理的線索。

該研究已發表于《物理評論快報》期刊。

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