冷中子星缩小自然界未知第五种力的搜索范围

通过模型与实际恒星温度的匹配，研究人员排除了中子星内部存在强第五种力的可能性。

中子星是大质量恒星坍缩后的残留物，其密度极高，核心将质子和中子挤压成稠密的粒子汤。这些天体在数百万年间缓慢冷却，将内部热量释放到太空。这种缓慢冷却听起来或许并不激动人心，但对物理学家而言，它提供了一个非凡的自然实验室——其极端程度远超地球上任何人工装置。

一项最新研究揭示了这些恒星残骸如何帮助检验一种新粒子假说，该粒子可能承载自然界第五种基本力。若这种粒子存在，它将彻底改变我们对引力的理解，甚至可能帮助详细解释暗物质。
研究作者之一埃多阿尔多·维塔利亚诺表示：“额外第五种力的存在可能预示着物理学的范式转变，许多实验一直致力于寻找这种力。然而，在介观尺度（介于宏观与微观世界之间）探索对引力定律的偏离极具挑战性。”

地球无法实现的实验

寻找第五种力异常困难。在地球上，任何微小尺度上对标准引力的偏离，与实验室中的振动、温度变化或电噪声相比都微乎其微。

因此，物理学家将目光投向那些环境极端到能放大最微弱效应的地方。中子星是理想选择，其内部核子（质子和中子）的密集程度超乎想象。

如果假设的标量粒子与核子相互作用，中子星将成为它们的完美制造厂。标量粒子是一种无自旋的理论粒子。标准模型的一些扩展理论认为，它们可能与核子耦合并传递额外的作用力。

若该理论成立，中子星深处每个中子或质子的碰撞都会产生这类粒子，粒子随后逃逸并带走热量。关键在于，额外的冷却将是第五种力存在的关键迹象。

为验证这一点，一个国际研究团队建立了精细的模拟程序，追溯中子星从形成至今的演化过程。他们涵盖了中子星所有已知的热量损失途径——中微子辐射、表面辐射和内部过程，并加入了标量粒子辐射的可能性。

他们将模型与实测中子星数据对比，包括被称为“壮丽七星”的孤立X射线亮星群和脉冲星PSR J0659。

研究作者指出：“我们首次证明，如‘壮丽七星’和PSR J0659中的老年中子星，对标量-核子相互作用的限制异常严格——比以往任何限制强出一个数量级以上。”

界限何在？

研究团队的逻辑很直接：如果标量粒子与核子强相互作用，现今中子星的温度应远低于望远镜观测值。然而观测显示这些星体并未异常低温，其温度符合标准冷却模型。

对比模拟与实际测量数据后，研究人员未发现额外热量损失的迹象。任何标量-核子粒子与质子、中子强相互作用的假设情景，都会导致这些星体比如今望远镜所见的温度低得多。

利用这一差异，研究人员推算出了新作用力的精确强度。分析表明，标量与核子的耦合强度必须弱于约≲5×10⁻¹⁴——这是该类粒子迄今最强的限制值。

研究作者称：“由于未发现异常能量损失迹象，我们可以将耦合强度排除至≲5×10⁻¹⁴以下。我们得出的新界限，在（假设粒子质量）跨越6个数量级的范围内，超越了所有现有对标量粒子的限制。”

接近真相，但仍未抵达

这项研究证明，宇宙本身能以实验室无法实现的方式拓展物理学的边界。通过排除强第五种力的可能性，研究结果有助于缩小新粒子的可能范围，并指出哪些理论需要修正。

该工作还展示了天体物理对象（尤其是极端环境中的天体）如何揭示对引力基础定律（如等效原理或平方反比律）的微小偏离。

然而研究存在局限：尽管中子星是绝佳的测试平台，科学家仍未能完全理解其内部结构。

随着模型改进以及通过新一代X射线和引力波仪器观测到更多中子星，研究人员希望核查是否存在异常冷却模式，以揭示新物理的线索。

该研究已发表于《物理评论快报》期刊。

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