研究揭示原始黑洞、中微子與暗物質之間或存在深刻理論聯(lián)系

簡 要

我們知道暗物質存在，或者說我們認為我們知道它存在，因為有大量證據(jù)表明質量缺失。但我們仍然不知道它究竟是什么。人們越來越相信原初黑洞是暗物質的候選者，而這項研究進一步增強了這種信心。

這種中微子能否幫助我們解答暗物質問題？它能否幫助物理學家填補我們對宇宙認知中的空白？

近期探測到的高能中微子可能源于一種特定類型的原初黑洞。這些“暗電荷”原初黑洞可能會升溫并發(fā)生蒸發(fā)爆炸，從而釋放出高能中微子。研究表明，這類原初黑洞也可能是暗物質。

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人類已經(jīng)發(fā)展到能夠探測到來自太空的單個高能粒子，并探究其在自然界中的來源。數(shù)十億人可能對此類問題漠不關心，但對于那些天生好奇且有幸擁有時間滿足好奇心的人來說，2023年探測到的超高能中微子是一件非同尋常的事件，甚至可能成為歷史性的事件。

立方公里中微子望遠鏡（KM3NeT）在地中海海底探測到了能量極高的中微子。該粒子的能量高達220 PeV，比我們最強大的粒子加速器——大型強子對撞機——產(chǎn)生的任何粒子都要高。

太陽會持續(xù)不斷地釋放中微子，稱為太陽中微子，但它們的能量并不高。而能量高達100 PeV的中微子KM3-230213A，其能量遠超太陽的中微子輸出。該事件的能量是普通太陽中微子的十億倍。

能像這樣激發(fā)中微子的天體物理現(xiàn)象并不多。事實上，目前還沒有任何已知天體或過程可以解釋這種現(xiàn)象。

當大自然向我們傳遞這樣的信息時，其中蘊含著重要的信息。解讀這些信息的意義則取決于物理學家。自發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象以來的幾年間，不同的物理學家提出了不同的解釋。

解釋包括脈沖星驅動的光學瞬變、伽馬射線暴、暗物質衰變、活動星系核、黑洞合并，以及基于不同類型的原始黑洞的幾種解釋。

發(fā)表在《物理評論快報》上的一項新研究提出了另一種解釋，而這種解釋同樣基于原初黑洞。該研究題為“用準極端原初黑洞解釋KM3NeT和IceCube的PeV中微子通量”，第一作者是邁克爾·貝克（Michael Baker）。貝克是馬薩諸塞大學阿默斯特分校的物理學助理教授。

“KM3NeT實驗最近觀測到能量約為100 PeV的中微子，而IceCube探測到5個能量高于1 PeV的中微子，”作者寫道。“雖然目前還沒有已知的宇宙天體物理來源，但原始黑洞爆炸可能產(chǎn)生了這些高能中微子。”

原初黑洞完全是假想的。理論認為，與恒星級黑洞不同，原初黑洞的形成并不需要大質量恒星爆炸坍縮。相反，它們是在大爆炸后立即由致密的亞原子物質團塊形成的，當時宇宙的物理定律與現(xiàn)在截然不同。

原初黑洞比恒星級黑洞小得多，但它們的密度仍然極高，那句古老的格言“沒有任何東西，甚至光，能夠逃脫黑洞的引力”對它們依然適用。不過，原初黑洞與它們的“表親”還有另一個共同點：霍金輻射。

斯蒂芬·霍金提出了霍金輻射（HR）的概念。簡而言之，霍金輻射會隨著時間的推移減少黑洞的質量，最終黑洞會蒸發(fā)，除非它吸積更多物質。遺憾的是，霍金輻射通常非常微弱，甚至遠低于我們最先進的望遠鏡的探測閾值。

這種受高分辨率黑洞理論啟發(fā)而產(chǎn)生的蒸發(fā)現(xiàn)象可能是KM3-230213A的成因。雖然在恒星級黑洞周圍無法探測到這種現(xiàn)象，但對于質量小得多的原初黑洞來說，情況可能有所不同。

“黑洞的質量越輕，溫度就越高，釋放的粒子也就越多，”論文合著者、馬薩諸塞大學阿默斯特分校物理學助理教授安德里亞·塔姆在新聞稿中表示。“隨著原初黑洞的蒸發(fā)，它們的質量越來越輕，溫度也越來越高，在失控的過程中釋放出更多的輻射，直至爆炸。我們的望遠鏡能夠探測到的正是這種霍金輻射。”

當原初黑洞（PBH）通過失控的超導反應蒸發(fā)時，它們最終會經(jīng)歷一次最終爆發(fā)。在最后一秒，它們會變得極熱，并發(fā)生爆炸性蒸發(fā)。這種最終過程可以產(chǎn)生像KM3-230213A這樣的高能中微子。

研究人員認為，這種現(xiàn)象大約每十年發(fā)生一次，而且這些爆炸會產(chǎn)生大量的亞原子粒子。他們認為，這些原初黑洞蒸發(fā)爆炸可能會產(chǎn)生所有已知亞原子粒子的目錄，不僅包括我們已知的粒子，例如電子和夸克，還包括目前僅被假設存在的粒子，以及一些可能完全未知的粒子。

研究團隊認為KM3-230213A可能是PBH蒸發(fā)的證據(jù)。但有一個問題。

冰立方中微子天文臺沒有探測到這次事件，事實上，它從未探測到過任何能量接近KM3-230213A的中微子。如果原初黑洞蒸發(fā)爆炸每十年發(fā)生一次，冰立方難道不應該至少探測到一次嗎？冰立方已經(jīng)觀測了20年。

這是位于南極的冰立方中微子天文臺

“我們認為帶有‘暗電荷’的原初黑洞——我們稱之為準極端原初黑洞——是缺失的一環(huán)，”馬薩諸塞大學阿默斯特分校物理學博士后研究員、論文共同作者之一Joaquim Iguaz Juan說道。研究人員表示，帶有暗電荷的原初黑洞（暗電荷本質上是一種質量非常大的假想電子，即“暗電子”）大部分時間都處于準極端狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，原初黑洞的荷質比幾乎達到其最大可能值。

IceCube 和 KM3NeT 的探測能量不同。IceCube 的探測能量上限為 10 PeV，這可以解釋為什么它從未探測到 KM3-230213A。

作者解釋說，對于處于準極端狀態(tài)的原初黑洞，“1 PeV 的中微子發(fā)射可能比 100 PeV 的中微子發(fā)射更受抑制”。“KM3NeT 和 IceCube 觀測所暗示的爆發(fā)率以及間接約束條件都可以在 1σ 置信度下保持一致。”

對于該研究的合著者貝克來說，暗電荷 PBH 的復雜性增加，使他們的解釋更具真實性。

“還有其他更簡單的原初黑洞模型，”論文合著者、馬薩諸塞大學阿默斯特分校物理學助理教授邁克爾·貝克說，“我們的暗電荷模型更復雜，這意味著它可能提供更精確的現(xiàn)實模型。最酷的是，我們的模型可以解釋這種原本無法解釋的現(xiàn)象。”

塔姆補充道：“帶有暗電荷的原初黑洞具有獨特的性質，其行為方式與其他更簡單的原初黑洞模型不同。我們已經(jīng)證明，這可以解釋所有看似矛盾的實驗數(shù)據(jù)。”

對非物理學家來說，物理學似乎是一個充滿謎團、如同神秘動物學般的世界，其中充斥著來自陌生源頭、踏著陌生旅程的奇異粒子。但正是這些粒子共同構成了我們周圍的宇宙。而我們一些最重大問題的答案，就蘊藏在這個奇特的世界中。

我們知道暗物質存在，或者說我們認為我們知道它存在，因為有大量證據(jù)表明質量缺失。但我們仍然不知道它究竟是什么。人們越來越相信原初黑洞是暗物質的候選者，而這項研究進一步增強了這種信心。

“如果我們假設的暗物質電荷是正確的，”胡安·伊瓜斯說，“那么我們相信可能存在大量的原初黑洞，這與其他天體物理觀測結果一致，并且可以解釋宇宙中所有缺失的暗物質。”

這種中微子能否幫助我們解答暗物質問題？它能否幫助物理學家填補我們對宇宙認知中的空白？

“觀測到高能中微子是一件不可思議的事情，”貝克說。“它為我們打開了一扇了解宇宙的新窗口。但我們現(xiàn)在可能正處于實驗驗證霍金輻射、獲得原始黑洞和超出標準模型的新粒子的證據(jù)以及解釋暗物質之謎的關鍵時刻。”

文章：翻譯自外部科學網(wǎng)，如意錯誤歡迎指正