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(shí)際恒星溫度的匹配，研究人員排除了中子星內(nèi)部存在強(qiáng)第五種力的可能性。

中子星是大質(zhì)量恒星坍縮后的殘留物，其密度極高，核心將質(zhì)子和中子擠壓成稠密的粒子湯。這些天體在數(shù)百萬年間緩慢冷卻，將內(nèi)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(xué)家而言，它提供了一個非凡的自然實(shí)驗(yàn)室——其極端程度遠(yuǎn)超地球上任何人工裝置。

一項(xiàng)最新研究揭示了這些恒星殘骸如何幫助檢驗(yàn)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(xì)解釋暗物質(zhì)。
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(yù)示著物理學(xué)的范式轉(zhuǎn)變，許多實(shí)驗(yàn)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(zhàn)性?！?/p>

地球無法實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)

尋找第五種力異常困難。在地球上，任何微小尺度上對標(biāo)準(zhǔn)引力的偏離，與實(shí)驗(yàn)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(xué)家將目光投向那些環(huán)境極端到能放大最微弱效應(yīng)的地方。中子星是理想選擇，其內(nèi)部核子（質(zhì)子和中子）的密集程度超乎想象。

如果假設(shè)的標(biāo)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(biāo)量粒子是一種無自旋的理論粒子。標(biāo)準(zhǔn)模型的一些擴(kuò)展理論認(rèn)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(zhì)子的碰撞都會產(chǎn)生這類粒子，粒子隨后逃逸并帶走熱量。關(guān)鍵在于，額外的冷卻將是第五種力存在的關(guān)鍵跡象。

為驗(yàn)證這一點(diǎn)，一個國際研究團(tuán)隊(duì)建立了精細(xì)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(nèi)部過程，并加入了標(biāo)量粒子輻射的可能性。

他們將模型與實(shí)測中子星數(shù)據(jù)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(biāo)量-核子相互作用的限制異常嚴(yán)格——比以往任何限制強(qiáng)出一個數(shù)量級以上?！?/p>

界限何在？

研究團(tuán)隊(duì)的邏輯很直接：如果標(biāo)量粒子與核子強(qiáng)相互作用，現(xiàn)今中子星的溫度應(yīng)遠(yuǎn)低于望遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)冷卻模型。

對比模擬與實(shí)際測量數(shù)據(jù)后，研究人員未發(fā)現(xiàn)額外熱量損失的跡象。任何標(biāo)量-核子粒子與質(zhì)子、中子強(qiáng)相互作用的假設(shè)情景，都會導(dǎo)致這些星體比如今望遠(yuǎn)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(qiáng)度。分析表明，標(biāo)量與核子的耦合強(qiáng)度必須弱于約?5×10?1?——這是該類粒子迄今最強(qiáng)的限制值。

研究作者稱：“由于未發(fā)現(xiàn)異常能量損失跡象，我們可以將耦合強(qiáng)度排除至?5×10?1?以下。我們得出的新界限，在（假設(shè)粒子質(zhì)量）跨越6個數(shù)量級的范圍內(nèi)，超越了所有現(xiàn)有對標(biāo)量粒子的限制?！?/p>

接近真相，但仍未抵達(dá)

這項(xiàng)研究證明，宇宙本身能以實(shí)驗(yàn)室無法實(shí)現(xiàn)的方式拓展物理學(xué)的邊界。通過排除強(qiáng)第五種力的可能性，研究結(jié)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(huán)境中的天體）如何揭示對引力基礎(chǔ)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(xué)家仍未能完全理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

隨著模型改進(jìn)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(fā)表于《物理評論快報(bào)》期刊。

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