[论文解读] Coupling neutrons to dark fermions to explain the neutron lifetime anomaly is incompatible with observed neutron stars

Gordon Baym, Peter Geltenbort+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2018

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 4

一句话总结

该论文表明，若中子衰变为稳定、弱相互作用的暗费米子——这一假设被提出以解决中子寿命之谜——则此类模型无法解释质量超过1倍太阳质量的观测中子星。此类模型预测的中子星最大质量仅为0.7倍太阳质量，与观测到的2倍太阳质量中子星相矛盾，因此要求暗物质属于一个复杂且高度受限的多粒子暗物质领域，超越简单的单重态模型。

ABSTRACT

We demonstrate that the observation of neutron stars with masses greater than one solar mass places severe demands on any exotic neutron decay mode that could explain the discrepancy between beam and bottle measurements of the neutron lifetime. If the neutron can decay to a stable, feebly-interacting dark fermion, the maximum possible mass of a neutron star is 0.7 solar masses, while all well-measured neutron star masses exceed one solar mass. The survival of $2 M_\odot$ neutron stars therefore indicates that any explanation beyond the Standard Model for the neutron lifetime puzzle requires dark matter to be part of a multi-particle dark sector with highly constrained interactions.

研究动机与目标

• 评估中子衰变为稳定暗费米子是否能解决束流法与瓶法测量中子寿命之间的差异。
• 利用观测到的中子星质量，评估此类奇异衰变模式在宇宙学和天体物理学上的可行性。
• 通过要求与观测到的2倍太阳质量中子星保持一致，约束暗物质领域的结构。
• 确定仅含一个暗费米子的最小暗物质模型是否能与中子星观测共存。

提出的方法

• 通过矢量或标量门户耦合，建模中子衰变为稳定、弱相互作用的暗费米子。
• 使用Tolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程，计算因奇异衰变导致中子星状态方程改变时的中子星质量-半径关系。
• 应用质量超过1倍太阳质量的中子星观测约束，以限制中子与暗费米子之间的耦合强度。
• 在假设中子衰变为暗物质不可逆且产物稳定的前提下，推导中子星可能达到的最大质量。
• 将理论预测的最大中子星质量（0.7 M⊙）与观测到的2倍太阳质量中子星质量进行比较，以检验模型的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 简单的暗费米子门户能否在与中子星观测一致的前提下，解释中子寿命异常？
• RQ2 中子衰变为稳定暗费米子时，允许的最大中子星质量是多少？
• RQ3 质量超过1倍太阳质量的观测中子星如何限制中子与暗费米子之间的耦合强度？
• RQ4 2倍太阳质量中子星的存在对暗物质领域的结构有何启示？

主要发现

• 中子衰变为稳定暗费米子所允许的最大中子星质量被限制在0.7倍太阳质量以内。
• 该理论上限与观测到的质量超过1倍太阳质量的中子星（包括确认的2 M⊙系统）相矛盾。
• 2倍太阳质量中子星的存在排除了仅含一个稳定暗费米子的最小暗物质模型作为中子寿命异常的解释。
• 任何可行的超越标准模型的中子寿命谜题解释，都必须涉及具有高度受限相互作用的多粒子暗物质领域。