Существует пятая сила посредством охлаждения нейтронных звезд

Новости сегодня - Существует пятая сила посредством охлаждения нейтронных звезд

Нейтронные звёзды — сверхплотные остатки звёзд, состоящие преимущественно из нуклонов (то есть протонов и нейтронов). В течение миллионов лет эти звёзды постепенно остывают, излучая тепло в космос.

Процесс охлаждения нейтронных звёзд может стать перспективным испытательным полигоном для различных гипотетических частиц, включая так называемые скалярные частицы. Это частицы, не обладающие спином и, согласно некоторым теоретическим предсказаниям, способные взаимодействовать с нуклонами.

Предполагается, что скалярные частицы нарушают два фундаментальных закона гравитации, известных как принцип эквивалентности и закон обратных квадратов. Таким образом, их наблюдение может значительно обогатить современное понимание Вселенной и её основополагающих физических сил.

Исследователи из Немецкого электронного синхротрона DESY, Итальянского национального института ядерной физики, Сиднейского и Падуанского университетов недавно провели исследование, направленное на изучение возможности ускорения процессов охлаждения скалярными частицами, путем сравнения теоретических предсказаний с результатами моделирования нейтронных звезд. В их статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters , установлены самые строгие на сегодняшний день ограничения на силу скалярно-нуклонных взаимодействий, а также подчеркивается потенциал данных о нейтронных звездах для исследования существования пятой силы.

«Все явления, связанные с частицами, составляющими обычную материю (то есть протонами, электронами и нейтронами), определяются четырьмя фундаментальными силами: гравитационными, электромагнитными, сильными ядерными и слабыми ядерными силами», — рассказал изданию Phys.org соавтор статьи Эдоардо Витальяно.

Существование дополнительной пятой силы может сигнализировать о смене парадигмы в физике, и поиску такой пятой силы было посвящено множество экспериментов. Однако отклонения от гравитации на мезоскопическом уровне (между макроскопическим и микроскопическим мирами) весьма сложны для изучения.

Нейтронные звезды как средство поиска новой физики

Ознакомившись с предыдущей литературой и теориями, касающимися пятой силы, Вальяно и его коллеги пришли к выводу, что нейтронные звёзды могут стать перспективными естественными лабораториями для исследования её существования. Известные нейтронные звёзды, такие как так называемая «Великолепная семёрка» и пульсар PSR J0659, действительно могут быть источниками взаимодействий между скалярами и нуклонами, которые могли бы приводить к возникновению такой силы.

«Подобно тому, как электромагнитное взаимодействие обусловлено обменом фотонами, новая сила будет передаваться новой скалярной частицей», — сказал Витальяно. «Такая частица предсказывается во многих расширениях Стандартной модели физики элементарных частиц, может быть связана с существованием дополнительных измерений и может играть роль тёмной материи в нашей Вселенной».

Скалярные частицы в изобилии образуются при рассеянии нейтронов и протонов. Известно, что эти два типа частиц присутствуют в ядрах нейтронных звёзд.

«Благодаря чрезвычайно большой плотности, на эволюцию нейтронных звёзд существенное влияние оказало бы наличие новых сил», — сказал Витальяно. «Нейтронные звёзды подобны тёплой еде, которая со временем остывает, и новые частицы охлаждают их быстрее».

Чтобы исследовать эту возможность, исследователи провели сложное и продвинутое моделирование нейтронных звёзд. Это моделирование продемонстрировало эволюцию нейтронных звёзд от их зарождения до нынешнего возраста, показав, как гипотетические скалярные частицы могли бы рождаться внутри звёзд.

«Моделирование, учитывающее испускание скалярных частиц, являющихся посредниками новой пятой силы, приводит к появлению нейтронных звёзд, которые в настоящее время были бы гораздо холоднее, чем те, что наблюдают наши телескопы», — пояснил Алессандро Лелла, соавтор статьи. «Следовательно, если пятая сила существует, она должна быть достаточно слабой, чтобы не влиять на наблюдаемую эволюцию нейтронных звёзд».

Установление рекордных границ по пятой силе

В своих расчетах исследователи не обнаружили никаких признаков дополнительной потери энергии, что позволяет предположить, что исследованные ими нейтронные звезды охлаждались нормально. Это позволило им установить новые границы для скалярно-нуклонных связей, которые могут помочь в будущих поисках скалярных частиц и доказательств существования пятой силы.

«Мы пришли к поразительному выводу: если между частицами на расстоянии меньше толщины волоса действует новая сила, астрономические наблюдения — лучший способ её обнаружить», — сказал Витальяно. «Мы обнаружили, что любая существующая пятая сила должна быть гораздо слабее, чем считалось ранее».

Строгие ограничения, установленные Вальяно, Леллой и их коллегами Дамиано Фиорилло и Киараном О’Хара, могут помочь уточнить теории, предсказывающие нарушения гравитации. В будущем исследователи надеются продолжить изучение существования пятой силы и скаляров, передающих её, используя новые астрономические данные.

«Физика, управляющая внутренними процессами нейтронных звёзд, всё ещё далека от полного понимания», — добавила Лелла. «Вероятно, нам ещё предстоит оценить весь спектр возможностей, которые открывает изучение этих компактных объектов. Предстоящие астрономические наблюдения могут преподнести сюрпризы. Если в данных о нейтронных звёздах будут обнаружены ранее неизвестные явления, это может открыть новые пути к пониманию самых сокровенных тайн нашей Вселенной».

Новости партнеров: