기술 未知なる存在「第5の力」とは何か？ 星の冷え具合から探索する研究、独チームが発表 過去最高精度の絞り込みに成功

[お持て成し]

未知なる存在「第5の力」とは何か？　星の冷え具合から探索する研究、独チームが発表　過去最高精度の絞り込みに成功 / 1/6(火) / ITmedia NEWS

　宇宙には「強い相互作用（強い力）」「電磁相互作用（電磁気力）」「弱い相互作用 （弱い力）」「重力相互作用（重力）」の4つの基本的な力「基本相互作用」があります。しかしこれらの他に、未知の力である「第5の力（Fifth force）」が存在すると予言する理論があります。

【画像を見る】これまでに知られている4つの基本相互作用と、拡張理論で存在が予言されている第5の力のそれぞれの性質　実証されておらず、予想にとどまるものも含みます（Credit: 彩恵りり）【全3枚】

　第5の力は、一般相対性理論と量子力学を統合する理論や、重力相互作用が極端に弱いことを説明する理論で現れます。しかし、いまだに第5の力の存在を証明する観測結果はありません。

　ドイツの研究機関「ドイツ電子シンクロトロン」のダミアーノ・F・G・フィオリッロ氏などの研究チームは、宇宙にある高密度の天体「中性子星」の温度を計測し、理論的に予測される温度とのズレから第5の力の性質の探索を行いました。結果として、第5の力の発見こそできなかったものの、天体を使った研究において、これまでにない精度で第5の力の性質を絞り込むことに成功しました。

　今回の研究結果は、第5の力の探索において天体の観測が適していることを提示しています。では一体どんな研究だったのかを紹介していきます。

重力の謎に関わる未知の力はあるのか？
　研究の紹介の前に、第5の力と関わりの深い、重力相互作用について説明します。冒頭で上げた4つの基本的な力「基本相互作用」の中で、重力相互作用は最も身近な力ですが、現代物理学においては最も謎の多い力でもあります。原子以下のミクロの世界を記述する量子力学に重力を組み込もうとしても、性質が特異なため、うまく組み込むことができないのです。

　SFの文脈では、重力相互作用を媒介する素粒子として重力子が挙げられる場合がありますが、これは素粒子の基礎的な理論である「標準模型」の中には登場せず、発見はおろか、実在するかどうかすらも現段階では不明です。

　重力相互作用は他の3つの基本相互作用と比べて何十桁も弱い力であり、現状の量子力学では、重力相互作用は無いものとして扱っています。しかしこれが、ブラックホールの中心部や宇宙誕生の瞬間のような、重力が無視できないミクロスケールの現象を描き出すのに失敗する原因となっています。

　そもそも、他の3つの基本相互作用と比べて、重力相互作用が極めて弱い力という点自体も大きな謎です。他の3つの間ではせいぜい6桁の差しかないことを考えれば、何十桁分も低い重力相互作用はあまりにも弱すぎます。このような差が生じる理由も、現時点ではほとんど分かっていません。

　これらの謎を解決するため、さまざまな理論が提唱されていますが、こうした理論の中では、知られている4つの基本相互作用のどれにも当てはまらない、未知の相互作用が現れます。5つ目の力であるため「第5の力」という、そのままな仮称が付けられています。

　第5の力の性質は、理論によってさまざまであり、「ディラトン（Dilaton）」などの独自の名前が付けられている場合もあります。ですが大半の場合、第5の力は、重力相互作用よりもさらに弱く、かつ重力相互作用とは反対向きの斥力であると仮定されています。

　また、重力相互作用と電磁相互作用は無限の距離まで届き、強い相互作用と弱い相互作用は原子核以下の距離でしか届きませんが、第5の力はその中間、数mから数kmの範囲内に届く相互作用であると考えられています。

　もし第5の力が存在すれば、重力相互作用を幾分か打ち消すため、「重力相互作用は距離の2乗に反比例して弱くなる」という逆2乗則（逆2乗の法則）が成立しなくなるはずです。

　このため、重力相互作用を精密に測ることで第5の力を見つける試みがありますが、これは今のところ成功していません。重力相互作用の逆2乗則は、細菌の大きさ程度である1μmまでは厳密に成立していることが検証済みです。これより短い距離での重力相互作用の強さの検証は技術的に困難であり、少なくとも当面はできないでしょう。

中性子星の冷たさから第5の力を探索
　フィオリッロ氏などの研究チームは、宇宙にある「中性子星」という天体を観測するというアプローチで第5の力の存在の検証を行いました。中性子星とは、太陽の8倍以上の重さの恒星が、その寿命の最期に遺す天体です。恒星の中心核にあった原子核が限界まで押し込められ、ギチギチに詰まった高密度の天体であり、いわば1個の巨大な “原子核” です。

　中心で核融合をしている恒星とは異なり、中性子星そのものは何の活動もせず、エネルギーを生産しません。このため中性子星は徐々に冷えていく一方であり、その冷却速度は、4つの基本相互作用を元に予測できます。

　しかし、ここに第5の力が加わると話が変わってきます。今回の研究の場合、第5の力を媒介する素粒子は「スカラー粒子」（スピンが0の粒子）であると仮定され、原子核と相互作用し、原子核からエネルギーを放出させる物理過程が生じると考えられてます。

　もう少し簡単に言うとこうなります。原子核を構成する陽子や中性子がお互いに力を与え合うと、既に知られている現象に加えて、第5の力を媒介する素粒子を新たに生成し、原子核から逃げ出すと予想されます。原子核は生成した素粒子の分だけエネルギーを失い、温度が下がることになります。つまり第5の力があれば、天体は予想よりも早くエネルギーを失い、冷えていくということです。

　このような冷却過程は、恒星や白色矮星でも生じていると考えられます。しかし中性子星はこれ以上ないほど陽子や中性子の距離が近く、密度が高い天体です。このため、他の天体と比べても冷却速度の違いが顕著に表れると考えられます。

第5の力の絞り込みに成功
　フィオリッロ氏らは、他の天体から影響を受けないほど孤立している5つの中性子星を観測し、その年齢から理論的に予想される温度と、実際の温度との間にズレがないかどうかを調査しました。

　余談ですが、今回調査した中性子星のうちの4つは、通称「マグニフィセント・セブン （The Magnificent Seven）」と呼ばれている7つの中性子星の一部です。直訳すれば「壮大な7人」ですが、これは映画『荒野の七人』の原題に準えた通称です。

　観測結果と理論の照らし合わせの結果、中性子星に理論的予想を超えた過剰な冷却は見つかりませんでした。これ自体は残念な結果かもしれませんが、一方でこのジャンルの研究としては大きな成果です。天体を観測して第5の力を探索する試みは他にもありますが、今回の研究では第5の力を媒介する素粒子の質量を4桁、第5の力が原子核と相互作用する強さを2桁改善しており、過去最高の精度で第5の力の存在範囲を絞り込んでいます。

　今回の研究では、第5の力を媒介する素粒子をスカラー粒子であると仮定しています。このため、例えば他の基本相互作用と同じくゲージ粒子（スピンが0ではないボース粒子）である場合には、今回の研究手法は当てはまりません。しかし仮にそうだとしても、中性子星を冷却する別の物理過程にも関与するため、中性子星の冷却速度から第5の力の性質を絞り込むことは引き続き可能です。

　今回の研究結果は、天体観測が未知の相互作用の探索に適しているという事例の1つとして掲げられます。

参考文献

Damiano F.G. Fiorillo, et al. “Leading Bounds on Micrometer to Picometer Fifth Forces from Neutron Star Cooling”. Physical Review Letters, 2025; 135（21）211003. DOI: 10.1103/tlqz-713s

Ingrid Fadelli.（Dec 5, 2025）“Probing the existence of a fifth force via neutron star cooling”. Phys.org

ITmedia NEWS

https://news.yahoo.co.jp/articles/f88fe436bc9599029940b50f0071709aa46fd090?page=1

未知なる存在「第5の力」とは何か？　星の冷え具合から探索する研究、独チームが発表　過去

미지의 존재 '제5의 힘'이란 무엇인가? 별의 차가운 정도로 탐색하는 연구, 독일팀이 발표 / 1/6(화) / ITmedia NEWS

우주에는 「강한 상호작용(강한 힘)」「전자 상호작용(전자기력)」「약한 상호작용(약한 힘)」「중력 상호작용(중력)」의 4개의 기본적인 힘 「기본 상호작용」이 있습니다. 그러나 이들 외에 미지의 힘인 제5의 힘(Fifth force)이 존재한다고 예언하는 이론이 있습니다.

다섯 번째 힘은 일반 상대성 이론과 양자역학을 통합하는 이론이나 중력 상호작용이 극단적으로 약하다는 것을 설명하는 이론으로 나타납니다. 그러나 아직까지 제5의 힘의 존재를 증명하는 관측 결과는 없습니다.

독일의 연구기관 「독일 전자 싱크로트론」의 다미아노·F·G·피오릴로 씨 등의 연구팀은, 우주에 있는 고밀도의 천체 「중성자별」의 온도를 계측해, 이론적으로 예측되는 온도와의 어긋남으로부터 제5의 힘의 성질의 탐색을 실시했습니다. 결과적으로, 제5의 힘의 발견이라고는 할 수 없었지만, 천체를 사용한 연구에 있어서, 지금까지 없었던 정밀도로 제5의 힘의 성질을 좁히는 것에 성공했습니다.

이번 연구결과는 제5의 힘 탐색에 있어 천체 관측이 적합함을 제시하고 있습니다. 그럼 도대체 어떤 연구였는지 소개해 드릴게요.

◇ 중력의 수수께끼에 관련된 미지의 힘은 있는가?
　

연구 소개에 앞서 제5의 힘과 관련이 깊은 중력 상호작용에 대해 설명하겠습니다. 첫머리에 올린 네 가지 기본적인 힘 '기본 상호작용' 중 중력 상호작용은 가장 친숙한 힘이지만, 현대 물리학에 있어서는 가장 수수께끼가 많은 힘이기도 합니다. 원자 이하의 미시세계를 기술하는 양자역학에 중력을 집어넣으려 해도 성질이 특이하기 때문에 잘 집어넣을 수가 없는 것입니다. 

SF의 맥락에서는 중력 상호작용을 매개하는 소립자로 중력자를 들 수 있는데, 이는 소립자의 기초적인 이론인 '표준모형' 속에는 등장하지 않으며, 발견은 고사하고 실재 여부조차 현 단계에서는 불분명합니다.

중력 상호작용은 다른 3개의 기본 상호작용과 비교해 수십 자리나 약한 힘으로, 현재의 양자역학에서는 중력 상호작용은 없는 것으로 취급하고 있습니다. 그러나 이것이 블랙홀의 중심부나 우주 탄생의 순간과 같은 중력이 무시할 수 없는 미시 스케일의 현상을 그려내는 데 실패하는 원인이 되고 있습니다.

애초에 다른 세 가지 기본 상호작용과 비교했을 때 중력 상호작용이 극히 약한 힘이라는 점 자체도 큰 수수께끼입니다. 다른 세 개 사이에서는 기껏해야 여섯 자리 차이밖에 나지 않는 것을 생각하면, 수십 자리만큼 낮은 중력 상호작용은 너무나도 약합니다. 이런 차이가 생기는 이유도 현시점에서는 거의 알려지지 않았습니다.

이러한 수수께끼를 해결하기 위해, 다양한 이론이 제창되고 있습니다만, 이러한 이론 안에서는, 알려진 4개의 기본 상호작용의 어느 것에도 해당되지 않는, 미지의 상호작용이 나타납니다. 다섯 번째 힘이기 때문에 '제5의 힘'이라고 하는 그대로의 가칭이 붙여져 있습니다.

제5의 힘의 성질은 이론에 따라 다양하며, 「딜라톤(Dilaton)」등의 독자적인 이름이 붙여져 있는 경우도 있습니다. 하지만 대부분의 경우 제5의 힘은 중력 상호작용보다 더 약하고, 또한 중력 상호작용과는 반대 방향의 척력이라고 가정되고 있습니다.

또한 중력 상호작용과 전자기 상호작용은 무한한 거리까지 도달하고, 강한 상호작용과 약한 상호작용은 원자핵 이하의 거리에서만 도달하지만, 제5의 힘은 그 중간, 수 m에서 수 km 범위 내에 도달하는 상호작용이라고 생각됩니다.

만약 제5의 힘이 존재한다면 중력 상호작용을 어느 정도 무마하기 때문에 '중력 상호작용은 거리의 제곱에 반비례하여 약해진다'는 역제곱칙(역제곱의 법칙)이 성립하지 않게 될 것입니다.

이 때문에 중력 상호작용을 정밀하게 측정함으로써 제5의 힘을 찾는 시도가 있지만, 이는 현재까지 성공하지 못하고 있습니다. 중력 상호작용의 역2승칙은 세균의 크기 정도인 1μm까지는 엄밀하게 성립하는 것으로 검증되었습니다. 이보다 짧은 거리에서의 중력 상호작용의 강도를 검증하는 것은 기술적으로 어려우며 적어도 당분간은 불가능할 것입니다.

◇ 중성자별의 차가움에서 제5의 힘을 탐색
　

피오릴로 씨 등의 연구팀은, 우주에 있는 「중성자별」이라고 하는 천체를 관측한다고 하는 어프로치로 제5의 힘의 존재의 검증을 실시했습니다. 중성자별은 태양의 8배 이상 무게의 항성이 그 수명의 최후에 남아 있는 천체입니다. 항성의 중심핵에 있던 원자핵이 한계까지 밀려들어, 딱딱하게 막힌 고밀도의 천체이며, 말하자면 1개의 거대한 "원자핵" 입니다.

중심에서 핵융합을 하고 있는 항성과는 달리 중성자별 자체는 아무런 활동도 하지 않고 에너지를 생산하지 않습니다. 이 때문에 중성자별은 서서히 식어가고 있으며, 그 냉각 속도는 4가지 기본 상호작용을 바탕으로 예측할 수 있습니다.

하지만 여기에 제5의 힘이 더해지면 이야기가 달라집니다. 이번 연구의 경우 제5의 힘을 매개하는 소립자는 '스칼라 입자'(스핀이 0인 입자)인 것으로 가정되며, 원자핵과 상호작용해 원자핵에서 에너지를 방출시키는 물리 과정이 생길 것으로 생각됩니다.

조금더간단하게말하면이렇게됩니다. 원자핵을 구성하는 양성자나 중성자가 서로 힘을 주면 이미 알려진 현상과 더불어 제5의 힘을 매개하는 소립자를 새로 생성하여 원자핵에서 도망칠 것으로 예상됩니다. 원자핵은 생성한 소립자만큼 에너지를 잃고 온도가 떨어지게 됩니다. 즉 제5의 힘이 있으면 천체는 예상보다 빨리 에너지를 잃고 차가워진다는 것입니다.

이러한 냉각 과정은 항성이나 백색왜성에서도 발생하는 것으로 생각됩니다. 그러나 중성자별은 더 이상 없을 정도로 양성자나 중성자의 거리가 가깝고 밀도가 높은 천체입니다. 이 때문에 다른 천체와 비교해도 냉각 속도의 차이가 현저하게 나타날 것으로 보입니다.

◇ 제5의 힘을 좁히는 데 성공
　

피오릴로 씨 등은 다른 천체로부터 영향을 받지 않을 정도로 고립된 5개의 중성자별을 관측하고, 그 나이부터 이론적으로 예상되는 온도와 실제 온도 사이에 차이가 없는지 조사했습니다. 

여담입니다만, 이번에 조사한 중성자별 중의 4개는, 통칭 「매그니피센트·세븐(The Magnificent Seven)」이라고 불리고 있는 7개의 중성자별의 일부입니다. 직역하면 '장대한 7인'인데, 이는 영화 '황야의 7인'의 원제에 준한 통칭입니다.

관측 결과와 이론의 대조 결과 중성자별에서 이론적 예상을 뛰어넘은 과잉 냉각은 발견되지 않았습니다. 이 자체는 아쉬운 결과일 수도 있지만, 한편으로 이 장르의 연구로서는 큰 성과입니다. 천체를 관측하여 제5의 힘을 탐색하는 시도는 이 밖에도 있지만, 이번 연구에서는 제5의 힘을 매개하는 소립자의 질량을 네 자리 수, 제5의 힘이 원자핵과 상호작용하는 세기를 두 자리 수 개선하고 있으며, 역대 최고의 정확도로 제5의 힘의 존재 범위를 좁히고 있습니다.

이번 연구에서는 제5의 힘을 매개하는 소립자를 스칼라 입자라고 가정하고 있습니다. 이 때문에, 예를 들면 다른 기본 상호작용과 같이 게이지 입자(스핀이 0이 아닌 보스 입자)인 경우에는, 이번 연구 수법은 해당되지 않습니다. 그러나 만일 그렇다고 해도 중성자별을 냉각하는 다른 물리 과정에도 관여하기 때문에 중성자별의 냉각 속도에서 제5의 힘의 성질을 좁히는 것은 계속해서 가능합니다.

이번 연구 결과는 천체 관측이 미지의 상호작용 탐색에 적합하다는 사례 중 하나로 꼽힙니다.

참고 문헌

Damiano F.G. Fiorillo, et al. “Leading Bounds on Micrometer to Picometer Fifth Forces from Neutron Star Cooling”. Physical Review Letters, 2025; 135（21）211003. DOI: 10.1103/tlqz-713s

Ingrid Fadelli.（Dec 5, 2025）“Probing the existence of a fifth force via neutron star cooling”. Phys.org

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