暗物質不是中子星的核心？中子的半衰期差異可能不是由暗物質造成

中子對物理學來說有點頭疼，中子是一種電中性粒子，有助於將質子「粘合」在原子核中。在原子內部，它是快樂穩定的。但是一個中子本身就是一隻不幸的野獸。大約10分鐘後，它會發射出一個電子和一個反中微子，然後變成質子。衰變很好，但是「大約10分鐘」的部分有個問題。

博科園-科學科普：在一組實驗中，科學家確定了孤立中子的半衰期為879.6 s。但是在另一組實驗中，發現中子的半衰期為888秒(這些數字可能在現在有點過時了)這兩種情況偶然不同的機會現在約為每100000個中就有一個不同（十萬分之一）。 這一差異的一個可能的解釋是，中子會衰變成一個相對較輕的暗物質粒子，但現在新論文駁斥了這個想法。

也許是物理，而不是實驗？

這兩個實驗有什麼區別？找到較短半衰期的方法是計算經過一段時間後中子的數量。第二個實驗計算中子束髮射的質子數；束流法不計算沒有衰變成質子的中子。 隨著差異的確定性增加，尋找解釋的壓力也在增加。一種可能是，有時中子會衰變成重子暗物質粒子。重子僅僅意味著暗物質粒子與質子和中子屬於同一類粒子，而不是包含電子、中微子或光的類群。如果粒子是電中性和弱相互作用的，就不會在任何實驗中偶然地檢測到它。質子發射計數技術會完全錯過這個衰變通道，因為它不會產生質子。因此，期望在衡量的半衰期上會有差異。

圖片：NASA/JPL/Caltech

為了將這一想法融入我們周圍的世界，已知的新暗物質粒子必須足夠重，以符合觀測到同位素的穩定性(一個元素有固定數量的質子，但中子數量不同-這些中子稱為同位素)和質子的穩定性。除了暗物質粒子的質量，產生它的過程必須非常罕見，否則會觀察到中子的半衰期完全不同。

問題就在這裡，從中子到暗物質粒子的衰變是非常罕見，暗物質粒子很難被探測到，以至於我們在任何實驗中都不會意外地探測到它。這也意味著如果我們試圖找到它，將很難探測到它。有一個地方，周圍有足夠的中子，產生的任何粒子都應該都是顯而易見。中子星充滿了相互碰撞的中子。在合理的情況下，可以預料到，衰變成暗物質的中子會影響中子星的特性。

這正是兩組研究人員所做的研究。利用中子星模型，計算了中子星的質量範圍，同時考慮到中子衰變成暗物質的可能性。 恆星，可能不需要說，是相當複雜的物體。但是中子星是所有恆星中最不複雜的。中子星非常密集，在一個直徑只有幾公里的球體中有大約一個太陽質量。如果一顆恆星的殘餘太輕，那麼它就不能形成中子星，而是以白矮星的形式結束生命。在大約三個太陽質量的情況下，沒有人真正確定會發生什麼。在十個太陽質量以上，殘骸明顯地塌縮成一個黑洞。在觀測上，沒有觀察到小於一個太陽質量的中子星，也沒有發現任何中子星比兩個太陽質量重得多。

這個很好，緊密的質量範圍，再加上中子星的相對簡單性，意味著在中子星中加入中子衰變路徑並不需要太多假設。由此得出的計算結果可以很好地預測這將如何改變中子星形成的質量範圍。 事實證明，暗物質造成的問題比它所解決的問題還多，至少對於低質量暗物質來說是這樣。加上質量高達1.2GeV的暗物質，中子星模型與觀測不相容，有效地消除了這種可能性。要製造暗物質，解決方案需要宇宙進行一些體操。首先，任何一個暗物質粒子都必須有正確的自斥力，才能產生質量範圍正確的中子星。

另一種選擇是暗物質有某種形式的電荷(相當於電荷的「暗」)，但是這樣的特性意味著有一整團暗物質粒子在外面相互玩耍，而不是和我們一起玩。科學家已經考慮過多個暗粒子的概念，通常被稱為「暗區」，但目前還沒有實驗證據證明這一點。當所有這些都被說和做的時候，衰變成暗物質的可能性要比這兩種實驗技術之間的系統差異要小得多。例如懷疑在實驗中加入質子計數器會顯示出兩個實驗之間系統差異是真實的。還懷疑係統上的差異將是工具性的，而不是由於中子以一種意想不到的方式表現出來。

博科園-科學科普｜文：chris lee/ars technica｜參考期刊文獻 :《物理評論快報》，DOI：10.1103 / PhysRevLett.121.061801，10.1103 / PhysRevLett.121.061802

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