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生蒸發爆炸，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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人類已經發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——產生的任何粒子都要高。

太陽會持續不斷地釋放中微子，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。

能像這樣激發中微子的天體物理現象并不多。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。自發現這一現象以來的幾年間，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，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而產生的蒸發現象可能是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，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時，它們最終會經歷一次最終爆發。在最后一秒，它們會變得極熱，并發生爆炸性蒸發。這種最終過程可以產生像KM3-230213A這樣的高能中微子。

研究人員認為，這種現象大約每十年發生一次，而且這些爆炸會產生大量的亞原子粒子。他們認為，這些原初黑洞蒸發爆炸可能會產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蒸發的證據。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。如果原初黑洞蒸發爆炸每十年發生一次，冰立方難道不應該至少探測到一次嗎？冰立方已經觀測了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，”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。在這種狀態下，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的原初黑洞，“1 PeV 的中微子發射可能比 100 PeV 的中微子發射更受抑制”。“KM3NeT 和 IceCube 觀測所暗示的爆發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。我們已經證明，這可以解釋所有看似矛盾的實驗數據。”

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以及解釋暗物質之謎的關鍵時刻。”

文章：翻譯自外部科學網，如意錯誤歡迎指正