研究揭示原始黑洞、中微子與暗物質(zhì)之間或存在深刻理論聯(lián)系

簡(jiǎn) 要

我們知道暗物質(zhì)存在，或者說(shuō)我們認(rèn)為我們知道它存在，因?yàn)橛写罅孔C據(jù)表明質(zhì)量缺失。但我們?nèi)匀徊恢浪烤故鞘裁础Ｈ藗冊(cè)絹?lái)越相信原初黑洞是暗物質(zhì)的候選者，而這項(xiàng)研究進(jìn)一步增強(qiáng)了這種信心。

這種中微子能否幫助我們解答暗物質(zhì)問(wèn)題？它能否幫助物理學(xué)家填補(bǔ)我們對(duì)宇宙認(rèn)知中的空白？

近期探測(cè)到的高能中微子可能源于一種特定類(lèi)型的原初黑洞。這些“暗電荷”原初黑洞可能會(huì)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(lèi)原初黑洞也可能是暗物質(zhì)。

/*內(nèi)容

人類(lèi)已經(jīng)發(fā)展到能夠探測(cè)到來(lái)自太空的單個(gè)高能粒子，并探究其在自然界中的來(lái)源。數(shù)十億人可能對(duì)此類(lèi)問(wèn)題漠不關(guān)心，但對(duì)于那些天生好奇且有幸擁有時(shí)間滿(mǎn)足好奇心的人來(lái)說(shuō)，2023年探測(cè)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(yuǎn)鏡（KM3NeT）在地中海海底探測(cè)到了能量極高的中微子。該粒子的能量高達(dá)220 PeV，比我們最強(qiáng)大的粒子加速器——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)——產(chǎn)生的任何粒子都要高。

太陽(yáng)會(huì)持續(xù)不斷地釋放中微子，稱(chēng)為太陽(yáng)中微子，但它們的能量并不高。而能量高達(dá)100 PeV的中微子KM3-230213A，其能量遠(yuǎn)超太陽(yáng)的中微子輸出。該事件的能量是普通太陽(yáng)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(shí)上，目前還沒(méi)有任何已知天體或過(guò)程可以解釋這種現(xiàn)象。

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

解釋包括脈沖星驅(qū)動(dòng)的光學(xué)瞬變、伽馬射線暴、暗物質(zhì)衰變、活動(dòng)星系核、黑洞合并，以及基于不同類(lèi)型的原始黑洞的幾種解釋。

發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的一項(xiàng)新研究提出了另一種解釋?zhuān)@種解釋同樣基于原初黑洞。該研究題為“用準(zhǔn)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(xué)阿默斯特分校的物理學(xué)助理教授。

“KM3NeT實(shí)驗(yàn)最近觀測(cè)到能量約為100 PeV的中微子，而IceCube探測(cè)到5個(gè)能量高于1 PeV的中微子，”作者寫(xiě)道。“雖然目前還沒(méi)有已知的宇宙天體物理來(lái)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(rèn)為，與恒星級(jí)黑洞不同，原初黑洞的形成并不需要大質(zhì)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(zhì)團(tuán)塊形成的，當(dāng)時(shí)宇宙的物理定律與現(xiàn)在截然不同。

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

斯蒂芬·霍金提出了霍金輻射（HR）的概念。簡(jiǎn)而言之，霍金輻射會(huì)隨著時(shí)間的推移減少黑洞的質(zhì)量，最終黑洞會(huì)蒸發(fā)，除非它吸積更多物質(zhì)。遺憾的是，霍金輻射通常非常微弱，甚至遠(yuǎn)低于我們最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)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(jí)黑洞周?chē)鸁o(wú)法探測(cè)到這種現(xiàn)象，但對(duì)于質(zhì)量小得多的原初黑洞來(lái)說(shuō)，情況可能有所不同。

“黑洞的質(zhì)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(xué)阿默斯特分校物理學(xué)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(zhì)量越來(lái)越輕，溫度也越來(lái)越高，在失控的過(guò)程中釋放出更多的輻射，直至爆炸。我們的望遠(yuǎn)鏡能夠探測(cè)到的正是這種霍金輻射。”

當(dāng)原初黑洞（PBH）通過(guò)失控的超導(dǎo)反應(yīng)蒸發(fā)時(shí)，它們最終會(huì)經(jīng)歷一次最終爆發(fā)。在最后一秒，它們會(huì)變得極熱，并發(fā)生爆炸性蒸發(fā)。這種最終過(guò)程可以產(chǎn)生像KM3-230213A這樣的高能中微子。

研究人員認(rèn)為，這種現(xiàn)象大約每十年發(fā)生一次，而且這些爆炸會(huì)產(chǎn)生大量的亞原子粒子。他們認(rèn)為，這些原初黑洞蒸發(fā)爆炸可能會(huì)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(shè)存在的粒子，以及一些可能完全未知的粒子。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為KM3-230213A可能是PBH蒸發(fā)的證據(jù)。但有一個(gè)問(wèn)題。

冰立方中微子天文臺(tái)沒(méi)有探測(cè)到這次事件，事實(shí)上，它從未探測(cè)到過(guò)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(yīng)該至少探測(cè)到一次嗎？冰立方已經(jīng)觀測(cè)了20年。

這是位于南極的冰立方中微子天文臺(tái)

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

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

作者解釋說(shuō)，對(duì)于處于準(zhǔn)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(cè)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(duì)于該研究的合著者貝克來(lái)說(shuō)，暗電荷 PBH 的復(fù)雜性增加，使他們的解釋更具真實(shí)性。

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

塔姆補(bǔ)充道：“帶有暗電荷的原初黑洞具有獨(dú)特的性質(zhì)，其行為方式與其他更簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。”

對(duì)非物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，物理學(xué)似乎是一個(gè)充滿(mǎn)謎團(tuán)、如同神秘動(dòng)物學(xué)般的世界，其中充斥著來(lái)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(gòu)成了我們周?chē)挠钪妗６覀円恍┳钪卮髥?wèn)題的答案，就蘊(yùn)藏在這個(gè)奇特的世界中。

我們知道暗物質(zhì)存在，或者說(shuō)我們認(rèn)為我們知道它存在，因?yàn)橛写罅孔C據(jù)表明質(zhì)量缺失。但我們?nèi)匀徊恢浪烤故鞘裁础Ｈ藗冊(cè)絹?lái)越相信原初黑洞是暗物質(zhì)的候選者，而這項(xiàng)研究進(jìn)一步增強(qiáng)了這種信心。

“如果我們假設(shè)的暗物質(zhì)電荷是正確的，”胡安·伊瓜斯說(shuō)，“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(cè)結(jié)果一致，并且可以解釋宇宙中所有缺失的暗物質(zhì)。”

這種中微子能否幫助我們解答暗物質(zhì)問(wèn)題？它能否幫助物理學(xué)家填補(bǔ)我們對(duì)宇宙認(rèn)知中的空白？

“觀測(cè)到高能中微子是一件不可思議的事情，”貝克說(shuō)。“它為我們打開(kāi)了一扇了解宇宙的新窗口。但我們現(xiàn)在可能正處于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證霍金輻射、獲得原始黑洞和超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子的證據(jù)以及解釋暗物質(zhì)之謎的關(guān)鍵時(shí)刻。”

文章：翻譯自外部科學(xué)網(wǎng)，如意錯(cuò)誤歡迎指正