当炽热的中子星开始冷却，宇宙的“第五种力”或将显现

新研究显示，如果宇宙间确实存在某种以标量粒子为媒介的“第五种力”，那么它的强度一定十分弱。

中子星想像图。

ESA

中子星（neutron star）是由中子（neutron）和质子（proton），亦即所谓核子（nucleon）构成的致密恒星残骸。

中子星会经由热辐射缓慢冷却。科学家可以通过观测中子星的冷却，验证各种假想粒子——包括所谓的标量粒子（scalar particle）是否存在。

标量粒子是一类自旋为0的粒子。它们能与核子耦合（coupling），亦即相互作用，彼此影响或交换能量和动量。观测到标量粒子将极大地丰富人类对宇宙及潜在作用力的认识。但目前唯一被确认的标量粒子只有希格斯玻色子（Higgs boson）。

近日德国电子同步加速器研究所（DESY）、意大利国家核物理研究所（ININP）和悉尼大学、帕多瓦大学（University of Padua）的研究人员，通过将理论预言和中子星模拟进行对比，探索了标量粒子加速中子星冷却的可能性。研究成果不仅为标量-核子相互作用的强度设定了迄今为止最严格的限制，还展现了通过中子星探索“第五种力”的前景。

构成普通物质的所有粒子（质子、电子和中子），它们的表现都由四种基本作用力，即引力、电磁力、强互作用力（强核力）和弱互作用力（弱核力）决定。

假如宇宙中存在“第五种力”，那将极大地推进物理学。许多科学家都在致力于寻找这种力。

但要在介观（mesoscopic）层面寻找引力作用中可能出现的与经典牛顿引力论预测结果的偏差极具挑战性。所谓介观，指的是介于宏观和微观之间的世界。在这个尺度下，物质既表现出量子效应，又保留宏观系统的某些特征，是连接经典物理和量子物理的桥梁。

研究人员认为，中子星有潜力成为探索“第五种力”的天然实验室。因为在中子星上，存在标量粒子和核子的相互作用，而所谓的“第五种力”就可能藏身于这样的相互作用中。

正如电磁力由光子交换实现，新的基本作用力也有可能以某种未知的标量粒子为媒介。许多针对粒子物理标准模型的扩展理论已经多次预言存在这样的粒子——它们可能与额外的维度有关，也有可能就是暗物质的扮演者。

中子或质子的散射可能会产生大量标量粒子，而这两种粒子正是中子星核心的成分。 由于中子星的密度极高，如果存在新的作用力，它们的演化一定会受到显著影响——比如冷却得更快。

研究人员通过模拟，展示了中子星的演化过程，揭示了假想中的标量粒子会如何在其内部产生。模拟结果表明，如果确实存在某种以标量粒子为媒介的“第五种力”，那么它的强度一定十分弱。

参考

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