بررسی وجود نیروی پنجم از طریق خنک شدن ستاره نوترونی
توسط اینگرید فدلی، Phys.org
ستارگان نوترونی، بقایای فوقچگال ستارگان هستند که عمدتاً از نوکلئونها (یعنی پروتونها و نوترونها) تشکیل میشوند. در طول میلیونها سال، این ستارگان به‑تدریج خنک میشوند و حرارت را به فضا میتابانند.
فرآیند خنکشدن ستارگان نوترونی میتواند بستر آزمایشی امیدوارکنندهای برای انواع ذرات فرضی باشد، از جمله ذراتی که بهعنوان ذرات اسکالر شناخته میشوند. این ذرات فاقد اسپین هستند و بر اساس برخی پیشبینیهای نظری میتوانند با نوکلئونها ترکیب شوند.
بهنظر میرسد ذرات اسکالر دو قانون اساسی گرانش، یعنی اصل برابری و قانون معکوسمربعی، را نقض میکنند. لذا مشاهدهی این ذرات میتواند درک فعلی ما از جهان و نیروهای بنیادی آن را بهطور چشمگیری غنیتر سازد.
پژوهشگران در Deutsches Elektronen‑Synchrotron DESY، مؤسسه ملی فیزیک هستهای ایتالیا، دانشگاه سیدنی و دانشگاه پادویا بهتازگی مطالعهای انجام دادند که هدف آن بررسی امکان این بود که ذرات اسکالر سرعت فرآیندهای خنکسازی را افزایش دهند، با مقایسه پیشبینیهای نظری با شبیهسازیهای ستارگان نوترونی. مقالهٔ آنها، که در Physical Review Letters منتشر شد، سختترین محدودیتهای تاکنون را بر توان تعاملات اسکالر‑نوکلئون تعیین میکند و در عین حال پتانسیل دادههای ستارگان نوترونی را برای بررسی وجود نیروی پنجم برجسته میسازد.
“تمام پدیدههای مربوط به ذرات تشکیلدهنده ماده عادی (یعنی پروتونها، الکترونها و نوترونها) توسط چهار نیروی اساسی تعیین میشوند: نیروی گرانشی، الکترومغناطیسی، هستهای قوی و هستهای ضعیف”، ادواردو ویتاگلیانو، همنویسنده مقاله، به Phys.org گفت.
“وجود نیروی پنجم اضافی میتواند نشانهای از تحول اساسی در فیزیک باشد و بسیاری از آزمایشها به دنبال چنین نیرویی بودهاند. انحرافها از گرانش در سطح میاوسکوپی (بین جهان ماکروسکوپی و میکروسکوپی) اما بسیار دشوار برای بررسی هستند”
ستارگان نوترونی بهعنوان وسیلهای برای جستجوی فیزیک نوین
با بررسی ادبیات و نظریههای پیشین درباره نیروی پنجم، ویتاگلیانو و همکارانش دریافتند که ستارگان نوترونی میتوانند آزمایشگاههای طبیعی امیدوارکنندهای برای بررسی وجود آن باشند. ستارگان نوترونی شناختهشده، نظیر «هفت شگفتانگیز» و پالسار PSR J0659، میتوانند در واقع تعاملاتی بین اسکالرها و نوکلئونها میزبانی کنند که این نیرو را ایجاد میسازند.
“همانگونه که تعامل الکترومغناطیسی بهدلیل تبادل فوتونهاست، نیروی نوین توسط یک ذره اسکالر جدید میانجی میشود”، ویتاگلیانو گفت. “چنین ذرهای در بسیاری از گسترشهای مدل استاندارد فیزیک ذرات پیشبینی میشود، ممکن است با وجود ابعاد اضافی مرتبط باشد و میتواند نقش مادهٔ تاریک در جهان ما را ایفا کند.”
ذرات اسکالر بهوفور در پراکندگی بین نوترونها یا پروتونها تولید میشوند. بهویژه، این دو نوع ذره در هستهٔ ستارگان نوترونی نقش کلیدی دارند.
“بهدلیل چگالی فوقالعاده زیاد آنها، تحول ستارگان نوترونی بهطرز چشمگیری تحت تأثیر وجود نیروهای جدید قرار خواهد گرفت”، ویتاگلیانو گفت. “ستارگان نوترونی شبیه یک وعدهٔ گرم هستند که بهتدریج سرد میشوند و ذرات جدید میتوانند این سرد شدن را سریعتر کنند.”
برای بررسی این امکان، پژوهشگران شبیهسازیهای پیشرفته و پیشرویی از ستارگان نوترونی انجام دادند. این شبیهسازیها تکامل ستارگان نوترونی را از زمان تولد تا سن فعلی نشان دادند و چگونگی تولید ذرات اسکالر فرضی درون این ستارگان را به تصویر کشیدند.
“شبیهسازیهایی که انتشار ذرات اسکالر واسطهگر نیروی پنجم نوین را در نظر میگیرند، منجر به ستارگان نوترونی میشوند که امروز، نسبت به آنچه تلسکوپهای ما مشاهده میکنند، بسیار سردتر هستند”، الکساندرو للا، همنویسندهٔ مقاله، توضیح داد. “بنابراین، اگر نیروی پنجم وجود داشته باشد، باید بهقدری ضعیف باشد که از تغییر تکامل مشاهدهشدهٔ ستارگان نوترونی جلوگیری کند.”
تعیین حدود رکوردی برای نیروی پنجم
در شبیهسازیهای خود، پژوهشگران هیچ شواهدی از اتلاف انرژی اضافی یافتند، که نشان میدهد ستارگان نوترونی مورد بررسی بهطور عادی سرد شدهاند. این به آنها امکان داد تا محدودیتهای جدیدی برای اتصالهای اسکالر‑نوکلئونی تعیین کنند، که میتواند جستوجوهای آینده برای ذرات اسکالر و شواهد نیروی پنجم را راهنمایی کند.
“به این نتیجهٔ شگفتانگیز رسیدیم که اگر نیروی جدیدی بین ذرات در فاصلهای کمتر از ضخامت یک مو عمل کند، مشاهدات نجومی در واقع بهترین روش برای کشف آن هستند”، ویتاگلیانو گفت. “ما دریافتیم که هر نیروی پنجم موجود باید بسیار ضعیفتر از آنچه پیشتر تصور میشد باشد”
محدودیتهای سختگیرانهای که توسط ویتاگلیانو، للا و همکارانش Damiano Fiorillo و Ciaran O’Hare تعیین شد، میتواند به اصلاح نظریههایی که نقض گرانش را پیشبینی میکنند، کمک کند. در آینده، پژوهشگران امیدوارند با بهرهگیری از دادههای نجومی تازهجمعآوریشده، وجود نیروی پنجم و ذرات اسکالر واسطهگر آن را بررسی نمایند.
“فیزیک حاکم بر ساختارهای داخلی ستارگان نوترونی هنوز بهطور کامل درک نشده است”، للا اضافه کرد. “احتمالاً هنوز تمام دامنهٔ فرصتهای مطالعاتی این پدیدههای فشرده را کشف نکردهایم. مشاهدات نجومی پیشرو ممکن است شگفتیهایی به همراه داشته باشند. اگر پدیدههای ناشناختهای در دادههای ستارگان نوترونی کشف شوند، میتوانند مسیرهای جدیدی به سوی درک عمیقترین رازهای جهان باز کنند.”