|
Исследование существования пятой силы
|
|
|
|
Нейтронные звезды - это сверхплотные звездные остатки, состоящие в основном из нуклонов (то есть протонов и нейтронов). В течение миллионов лет эти звезды постепенно остывают, излучая тепло в космос. Процесс охлаждения нейтронных звезд может стать многообещающим испытательным полигоном для различных гипотетических частиц, включая так называемые скалярные частицы. Это частицы, которые не обладают спином и которые, согласно некоторым теоретическим предсказаниям, могут соединяться с нуклонами.
|
|
|
|
Предполагается, что скалярные частицы нарушают два фундаментальных закона тяготения, известных как принцип эквивалентности и закон обратных квадратов. Таким образом, их наблюдение может значительно обогатить нынешнее понимание Вселенной и лежащих в ее основе физических сил.
|
|
|
|
Исследователи из Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Итальянского национального института ядерной физики, Университета Сиднея и Университета Падуи недавно провели исследование, направленное на изучение возможности того, что скалярные частицы ускоряют процессы охлаждения, путем сравнения теоретических предсказаний с моделированием нейтронных звезд. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, устанавливает самые строгие на сегодняшний день ограничения на силу скалярно-нуклонных взаимодействий, а также подчеркивает потенциал данных о нейтронных звездах для исследования существования пятой силы.
|
|
|
|
"Все явления, относящиеся к частицам, составляющим обычную материю (то есть к протонам, электронам и нейтронам), определяются четырьмя фундаментальными взаимодействиями: гравитационным, электромагнитным, сильным ядерным и слабым ядерным взаимодействиями", - сказал Эдоардо Витальяно, соавтор статьи Phys.org.
|
|
|
|
|
|
|
"Существование дополнительной пятой силы может свидетельствовать о смене парадигмы в физике, и многие эксперименты были посвящены поиску такой пятой силы. Однако отклонения от гравитации на мезоскопическом уровне (между макроскопическим и микроскопическим мирами) очень сложны для изучения".
|
|
Нейтронные звезды как средство поиска новой физики
|
|
|
|
Ознакомившись с предыдущей литературой и теориями, касающимися пятой силы, Витальяно и его коллеги поняли, что нейтронные звезды могут быть многообещающими естественными лабораториями для изучения ее существования. Известные нейтронные звезды, такие как так называемая "Великолепная семерка" и пульсар PSR J0659, на самом деле могут содержать взаимодействия между скалярами и нуклонами, которые могут привести к возникновению такой силы.
|
|
|
|
"Точно так же, как электромагнитное взаимодействие происходит за счет обмена фотонами, новая сила взаимодействия будет опосредована 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 темной материи в нашей Вселенной".
|
|
|
|
Скалярные частицы в изобилии образуются при рассеянии между нейтронами или протонами. Примечательно, что известно, что эти два типа частиц находятся в ядре нейтронных звезд.
|
|
|
|
"Благодаря их чрезвычайно высокой плотности, на эволюцию нейтронных звезд могло бы существенно повлиять существование новых сил", - сказал Витальяно. "Нейтронные звезды подобны горячему блюду, которое со временем остывает, и новые частицы будут охлаждать их быстрее".
|
|
|
|
Чтобы изучить эту возможность, исследователи провели сложное и усовершенствованное моделирование нейтронных звезд. Это моделирование продемонстрировало эволюцию нейтронных звезд с момента их рождения и до их нынешнего возраста, показав, как внутри звезд могут образовываться гипотетические скалярные частицы.
|
|
|
|
"Моделирование, учитывающее излучение скалярных частиц, опосредующих новую пятую силу, приводит к появлению нейтронных звезд, которые в наши дни были бы намного холоднее, чем наблюдаются в наши телескопы", - объяснил Алессандро Лелла, соавтор статьи. "Следовательно, если пятое взаимодействие существует, оно должно быть достаточно слабым, чтобы избежать изменения наблюдаемой эволюции нейтронных звезд".
|
|
|
|
Установление рекордных значений пятого взаимодействия
|
|
|
|
В ходе моделирования исследователи не обнаружили никаких признаков дополнительной потери энергии, что позволяет предположить, что нейтронные звезды, которые они исследовали, охлаждались нормально. Это позволило им установить новые границы скалярно-нуклонных взаимодействий, которые могли бы послужить основой для будущих поисков скалярных частиц и доказательств существования пятой силы.
|
|
|
|
"Мы пришли к поразительному выводу, что если между частицами на расстоянии меньше толщины волоса действует новое взаимодействие, то астрономические наблюдения на самом деле являются лучшим способом его обнаружения", - сказал Витальяно. "Мы обнаружили, что любая существующая пятая сила должна быть намного слабее, чем считалось ранее".
|
|
|
|
Жесткие ограничения, установленные Витальяно, Леллой и их коллегами Дамиано Фиорилло и Кьяраном О'Хара, могли бы помочь усовершенствовать теории, предсказывающие нарушения гравитации. В будущем исследователи надеются продолжить изучение существования пятой силы и опосредующих ее скаляров, используя недавно собранные астрономические данные.
|
|
|
|
"Физика, управляющая внутренностями нейтронных звезд, все еще далека от полного понимания", - добавила Лелла. "Вероятно, нам еще предстоит оценить весь спектр возможностей, которые может предложить изучение этих компактных объектов. Предстоящие астрономические наблюдения могут преподнести некоторые сюрпризы. Если в данных о нейтронных звездах будут обнаружены ранее неизвестные явления, они могут открыть новые пути к пониманию самых непостижимых тайн нашей Вселенной".
|
|
|
|
Источник
|
