當(dāng)熾熱的中子星開(kāi)始冷卻，宇宙的“第五種力”或?qū)@現(xiàn)

新研究顯示，如果宇宙間確實(shí)存在某種以標(biāo)量粒子為媒介的“第五種力”，那么它的強(qiáng)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(zhì)子（proton），亦即所謂核子（nucleon）構(gòu)成的致密恒星殘骸。

中子星會(huì)經(jīng)由熱輻射緩慢冷卻。科學(xué)家可以通過(guò)觀測(cè)中子星的冷卻，驗(yàn)證各種假想粒子——包括所謂的標(biāo)量粒子（scalar particle）是否存在。

標(biāo)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(dòng)量。觀測(cè)到標(biāo)量粒子將極大地豐富人類對(duì)宇宙及潛在作用力的認(rèn)識(shí)。但目前唯一被確認(rèn)的標(biāo)量粒子只有希格斯玻色子（Higgs boson）。

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

構(gòu)成普通物質(zhì)的所有粒子（質(zhì)子、電子和中子），它們的表現(xiàn)都由四種基本作用力，即引力、電磁力、強(qiáng)互作用力（強(qiáng)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(jìn)物理學(xué)。許多科學(xué)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(xiàn)的與經(jīng)典牛頓引力論預(yù)測(cè)結(jié)果的偏差極具挑戰(zhàn)性。所謂介觀，指的是介于宏觀和微觀之間的世界。在這個(gè)尺度下，物質(zhì)既表現(xiàn)出量子效應(yīng)，又保留宏觀系統(tǒng)的某些特征，是連接經(jīng)典物理和量子物理的橋梁。

研究人員認(rèn)為，中子星有潛力成為探索“第五種力”的天然實(shí)驗(yàn)室。因?yàn)樵谥凶有巧希嬖跇?biāo)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(shí)現(xiàn)，新的基本作用力也有可能以某種未知的標(biāo)量粒子為媒介。許多針對(duì)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的擴(kuò)展理論已經(jīng)多次預(yù)言存在這樣的粒子——它們可能與額外的維度有關(guān)，也有可能就是暗物質(zhì)的扮演者。

中子或質(zhì)子的散射可能會(huì)產(chǎn)生大量標(biāo)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(huì)受到顯著影響——比如冷卻得更快。

研究人員通過(guò)模擬，展示了中子星的演化過(guò)程，揭示了假想中的標(biāo)量粒子會(huì)如何在其內(nèi)部產(chǎn)生。模擬結(jié)果表明，如果確實(shí)存在某種以標(biāo)量粒子為媒介的“第五種力”，那么它的強(qiáng)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