當熾熱的中子星開始冷卻，宇宙的“第五種力”或將顯現

新研究顯示，如果宇宙間確實存在某種以標量粒子為媒介的“第五種力”，那么它的強度一定十分弱。

中子星想像圖。

ESA

中子星（neutron star）是由中子（neutron）和質子（proton），亦即所謂核子（nucleon）構成的致密恒星殘骸。

中子星會經由熱輻射緩慢冷卻。科學家可以通過觀測中子星的冷卻，驗證各種假想粒子——包括所謂的標量粒子（scalar particle）是否存在。

標量粒子是一類自旋為0的粒子。它們能與核子耦合（coupling），亦即相互作用，彼此影響或交換能量和動量。觀測到標量粒子將極大地豐富人類對宇宙及潛在作用力的認識。但目前唯一被確認的標量粒子只有希格斯玻色子（Higgs boson）。

近日德國電子同步加速器研究所（DESY）、意大利國家核物理研究所（ININP）和悉尼大學、帕多瓦大學（University of Padua）的研究人員，通過將理論預言和中子星模擬進行對比，探索了標量粒子加速中子星冷卻的可能性。研究成果不僅為標量-核子相互作用的強度設定了迄今為止最嚴格的限制，還展現了通過中子星探索“第五種力”的前景。

構成普通物質的所有粒子（質子、電子和中子），它們的表現都由四種基本作用力，即引力、電磁力、強互作用力（強核力）和弱互作用力（弱核力）決定。

假如宇宙中存在“第五種力”，那將極大地推進物理學。許多科學家都在致力于尋找這種力。

但要在介觀（mesoscopic）層面尋找引力作用中可能出現的與經典牛頓引力論預測結果的偏差極具挑戰性。所謂介觀，指的是介于宏觀和微觀之間的世界。在這個尺度下，物質既表現出量子效應，又保留宏觀系統的某些特征，是連接經典物理和量子物理的橋梁。

研究人員認為，中子星有潛力成為探索“第五種力”的天然實驗室。因為在中子星上，存在標量粒子和核子的相互作用，而所謂的“第五種力”就可能藏身于這樣的相互作用中。

正如電磁力由光子交換實現，新的基本作用力也有可能以某種未知的標量粒子為媒介。許多針對粒子物理標準模型的擴展理論已經多次預言存在這樣的粒子——它們可能與額外的維度有關，也有可能就是暗物質的扮演者。

中子或質子的散射可能會產生大量標量粒子，而這兩種粒子正是中子星核心的成分。 由于中子星的密度極高，如果存在新的作用力，它們的演化一定會受到顯著影響——比如冷卻得更快。

研究人員通過模擬，展示了中子星的演化過程，揭示了假想中的標量粒子會如何在其內部產生。模擬結果表明，如果確實存在某種以標量粒子為媒介的“第五種力”，那么它的強度一定十分弱。

參考

Probing the existence of a fifth force via neutron star cooling

https://phys.org/news/2025-12-probing-neutron-star-cooling.html

Leading Bounds on Micrometer to Picometer Fifth Forces from Neutron Star Cooling

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/tlqz-713s