Существует ли пятая сила природы? Как Великолепная семерка звезд спасла стандартную физику

У гравитации есть слепая зона. Мы точно знаем, как она работает для планет и спутников, но понятия не имеем, сохраняется ли тот же закон на расстояниях меньше микрометра. Именно в этом микроскопическом зазоре может скрываться "пятая сила" — гипотетическое взаимодействие, которое физики безуспешно ищут уже полвека.

Фото: Generated by AI (DALL·E 3 by OpenAI) is licensed under Free for commercial use (OpenAI License)

Тёмная материя в космосе

Проблема в том, что строить детекторы для таких поисков на Земле — почти тупиковый путь: гравитация слишком слаба, а помех слишком много. Но природа уже построила идеальную лабораторию.

Новое исследование показывает, как старые, остывающие нейтронные звезды смогли сделать то, что не под силу земным установкам: установить жесточайшие границы для новой физики и закрыть вопрос о "пятой силе" в огромном диапазоне параметров.

Где прячется новая физика?

Речь идет о скалярных частицах с массой от электронвольта (эВ) до мегаэлектронвольта (МэВ). Теоретически эти частицы могут связываться с нуклонами (протонами и нейтронами) и создавать силу, действующую на коротких дистанциях.

Чтобы обнаружить такую частицу, нужно найти процесс, где она рождается в больших количествах. Звезды — идеальные кандидаты. Внутри них плазма из частиц настолько плотная и горячая, что новые, гипотетические частицы должны излучаться постоянно.

Логика проста: излучение уносит энергию. Если звезда излучает неизвестные частицы, она теряет энергию быстрее, чем предсказывают стандартные модели.

До сих пор эталоном для таких проверок была Сверхновая 1987A. Когда она взорвалась, детекторы на Земле зафиксировали поток нейтрино. Длительность и интенсивность этого сигнала четко показали, как быстро остывало ядро сверхновой. Если бы существовал мощный канал потери энергии через новые скалярные частицы, сигнал нейтрино был бы короче. Это давало физикам верхний предел того, насколько сильно эти частицы могут взаимодействовать с материей.

Но авторы нового исследования утверждают: мы смотрели не туда. Сверхновые — это горячо. А нам нужен холод.

Почему холодные звезды лучше горячих?

Нейтронная звезда — это сверхплотный остаток взорвавшейся звезды. В исследовании рассматривались так называемые "старые" нейтронные звезды. Им около 100-300 тысяч лет. По космическим меркам это немного, но для термодинамики звезды — очень большой срок. Температура их ядра упала до десятков миллионов градусов (в то время как в момент рождения она составляла сотни миллиардов).

Внутри звезды основными конкурентами скалярных частиц являются нейтрино. Чтобы заметить новую физику, излучение скалярных частиц должно доминировать над излучением нейтрино.

В горячей сверхновой излучение и тех, и других частиц происходит примерно одинаково интенсивно. Шансы заметить отклонение малы. Но в холодной нейтронной звезде вступает в силу квантовая механика:

• Подавление нейтрино: испускание пары нейтрино при столкновении нуклонов требует переворота спина (спин-флип). В вырожденной материи нейтронной звезды это затруднено. Вероятность такого процесса падает пропорционально температуре.
• Преимущество скаляров: скалярные частицы не имеют спина. Для их излучения не нужен переворот спина нуклона. Им важно лишь изменение квадрупольного момента системы.

В плотной ядерной материи нейтроны движутся с огромными скоростями (высокий импульс Ферми), даже если звезда "холодная". Это движение усиливает излучение скалярных частиц, но не помогает нейтрино.

Расчеты показывают ошеломляющую разницу: в условиях старой нейтронной звезды отношение светимости скалярных частиц к нейтрино в 10 миллионов раз выше, чем в сверхновой.

Великолепная семерка

Физики проанализировали данные о семи близких изолированных нейтронных звездах, известных как "Великолепная семерка" (Magnificent Seven), а также пульсара J0659. Мы знаем их возраст (из кинематики их движения) и их тепловую светимость (из рентгеновских наблюдений).

Если бы скалярные частицы активно рождались в их недрах, эти звезды давно бы растеряли все свое тепло. Они были бы невидимы для наших телескопов.

Сам факт того, что эти звезды все еще светятся в рентгеновском диапазоне, накладывает жесточайшее ограничение на силу взаимодействия скалярных частиц с материей.

Результат: новые границы реальности

Полученные данные позволяют исключить константу связи g_N вплоть до уровня 5×10^-14.

Что это значит на практике?

• Улучшение точности: это ограничение на порядок строже, чем данные, полученные от белых карликов.
• Победа над Сверхновой: в диапазоне масс до 700 кэВ новые данные превосходят ограничения от Сверхновой 1987A на четыре порядка.
• Гравитационные тесты: в пересчете на силу Юкавы (модификацию гравитации), мы теперь знаем, что на расстояниях от микрометров до пикометров любые отклонения от теории Ньютона должны быть слабее гравитации как минимум в 10 миллиардов раз.

Что дальше?

Это исследование закрывает возможность существования "пятой силы" с заметной интенсивностью в широком диапазоне масс. Оно также затрагивает модели темной материи и физику бозона Хиггса, накладывая ограничения на угол смешивания скаляра с полем Хиггса.

Мы получили доказательство от противного. Мы не нашли новую частицу, но мы точно узнали, где ее нет. Гравитация на микромасштабах остается верна Ньютону и Эйнштейну, по крайней мере, с точностью до четырнадцатого знака после запятой.

Физика — это не всегда открытие нового. Часто это отсечение невозможного. И старые, остывающие нейтронные звезды только что отсекли огромный пласт теоретических возможностей, направив поиск новой физики в еще более узкие и труднодоступные коридоры.