暗物质不是中子星的核心？中子的半衰期差异可能不是由暗物质造成

来源：天文物理

中子对物理学来说有点头疼，中子是一种电中性粒子，有助于将质子“粘合”在原子核中。在原子内部，它是快乐稳定的。但是一个中子本身就是一只不幸的野兽。大约10分钟后，它会发射出一个电子和一个反中微子，然后变成质子。衰变很好，但是“大约10分钟”的部分有个问题。

博科园-科学科普：在一组实验中，科学家确定了孤立中子的半衰期为879.6 s。但是在另一组实验中，发现中子的半衰期为888秒(这些数字可能在现在有点过时了)这两种情况偶然不同的机会现在约为每100000个中就有一个不同（十万分之一）。 这一差异的一个可能的解释是，中子会衰变成一个相对较轻的暗物质粒子，但现在新论文驳斥了这个想法。

也许是物理，而不是实验？

这两个实验有什么区别？找到较短半衰期的方法是计算经过一段时间后中子的数量。第二个实验计算中子束发射的质子数；束流法不计算没有衰变成质子的中子。 随着差异的确定性增加，寻找解释的压力也在增加。一种可能是，有时中子会衰变成重子暗物质粒子。重子仅仅意味着暗物质粒子与质子和中子属于同一类粒子，而不是包含电子、中微子或光的类群。如果粒子是电中性和弱相互作用的，就不会在任何实验中偶然地检测到它。质子发射计数技术会完全错过这个衰变通道，因为它不会产生质子。因此，期望在衡量的半衰期上会有差异。

图片：NASA/JPL/Caltech

为了将这一想法融入我们周围的世界，已知的新暗物质粒子必须足够重，以符合观测到同位素的稳定性(一个元素有固定数量的质子，但中子数量不同-这些中子称为同位素)和质子的稳定性。除了暗物质粒子的质量，产生它的过程必须非常罕见，否则会观察到中子的半衰期完全不同。

问题就在这里，从中子到暗物质粒子的衰变是非常罕见，暗物质粒子很难被探测到，以至于我们在任何实验中都不会意外地探测到它。这也意味着如果我们试图找到它，将很难探测到它。有一个地方，周围有足够的中子，产生的任何粒子都应该都是显而易见。中子星充满了相互碰撞的中子。在合理的情况下，可以预料到，衰变成暗物质的中子会影响中子星的特性。

这正是两组研究人员所做的研究。利用中子星模型，计算了中子星的质量范围，同时考虑到中子衰变成暗物质的可能性。 恒星，可能不需要说，是相当复杂的物体。但是中子星是所有恒星中最不复杂的。中子星非常密集，在一个直径只有几公里的球体中有大约一个太阳质量。如果一颗恒星的残余太轻，那么它就不能形成中子星，而是以白矮星的形式结束生命。在大约三个太阳质量的情况下，没有人真正确定会发生什么。在十个太阳质量以上，残骸明显地塌缩成一个黑洞。在观测上，没有观察到小于一个太阳质量的中子星，也没有发现任何中子星比两个太阳质量重得多。

这个很好，紧密的质量范围，再加上中子星的相对简单性，意味着在中子星中加入中子衰变路径并不需要太多假设。由此得出的计算结果可以很好地预测这将如何改变中子星形成的质量范围。 事实证明，暗物质造成的问题比它所解决的问题还多，至少对于低质量暗物质来说是这样。加上质量高达1.2GeV的暗物质，中子星模型与观测不相容，有效地消除了这种可能性。要制造暗物质，解决方案需要宇宙进行一些体操。首先，任何一个暗物质粒子都必须有正确的自斥力，才能产生质量范围正确的中子星。

另一种选择是暗物质有某种形式的电荷(相当于电荷的“暗”)，但是这样的特性意味着有一整团暗物质粒子在外面相互玩耍，而不是和我们一起玩。科学家已经考虑过多个暗粒子的概念，通常被称为“暗区”，但目前还没有实验证据证明这一点。当所有这些都被说和做的时候，衰变成暗物质的可能性要比这两种实验技术之间的系统差异要小得多。例如怀疑在实验中加入质子计数器会显示出两个实验之间系统差异是真实的。还怀疑系统上的差异将是工具性的，而不是由于中子以一种意想不到的方式表现出来。

文：chris lee/ars technica

参考期刊文献 :《物理评论快报》，DOI：10.1103 / PhysRevLett.121.061801，10.1103 / PhysRevLett.121.061802