研究揭示原始黑洞、中微子与暗物质之间或存在深刻理论联系

简 要

我们知道暗物质存在，或者说我们认为我们知道它存在，因为有大量证据表明质量缺失。但我们仍然不知道它究竟是什么。人们越来越相信原初黑洞是暗物质的候选者，而这项研究进一步增强了这种信心。

这种中微子能否帮助我们解答暗物质问题？它能否帮助物理学家填补我们对宇宙认知中的空白？

近期探测到的高能中微子可能源于一种特定类型的原初黑洞。这些“暗电荷”原初黑洞可能会升温并发生蒸发爆炸，从而释放出高能中微子。研究表明，这类原初黑洞也可能是暗物质。

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人类已经发展到能够探测到来自太空的单个高能粒子，并探究其在自然界中的来源。数十亿人可能对此类问题漠不关心，但对于那些天生好奇且有幸拥有时间满足好奇心的人来说，2023年探测到的超高能中微子是一件非同寻常的事件，甚至可能成为历史性的事件。

立方公里中微子望远镜（KM3NeT）在地中海海底探测到了能量极高的中微子。该粒子的能量高达220 PeV，比我们最强大的粒子加速器——大型强子对撞机——产生的任何粒子都要高。

太阳会持续不断地释放中微子，称为太阳中微子，但它们的能量并不高。而能量高达100 PeV的中微子KM3-230213A，其能量远超太阳的中微子输出。该事件的能量是普通太阳中微子的十亿倍。

能像这样激发中微子的天体物理现象并不多。事实上，目前还没有任何已知天体或过程可以解释这种现象。

当大自然向我们传递这样的信息时，其中蕴含着重要的信息。解读这些信息的意义则取决于物理学家。自发现这一现象以来的几年间，不同的物理学家提出了不同的解释。

解释包括脉冲星驱动的光学瞬变、伽马射线暴、暗物质衰变、活动星系核、黑洞合并，以及基于不同类型的原始黑洞的几种解释。

发表在《物理评论快报》上的一项新研究提出了另一种解释，而这种解释同样基于原初黑洞。该研究题为“用准极端原初黑洞解释KM3NeT和IceCube的PeV中微子通量”，第一作者是迈克尔·贝克（Michael Baker）。贝克是马萨诸塞大学阿默斯特分校的物理学助理教授。

“KM3NeT实验最近观测到能量约为100 PeV的中微子，而IceCube探测到5个能量高于1 PeV的中微子，”作者写道。“虽然目前还没有已知的宇宙天体物理来源，但原始黑洞爆炸可能产生了这些高能中微子。”

原初黑洞完全是假想的。理论认为，与恒星级黑洞不同，原初黑洞的形成并不需要大质量恒星爆炸坍缩。相反，它们是在大爆炸后立即由致密的亚原子物质团块形成的，当时宇宙的物理定律与现在截然不同。

原初黑洞比恒星级黑洞小得多，但它们的密度仍然极高，那句古老的格言“没有任何东西，甚至光，能够逃脱黑洞的引力”对它们依然适用。不过，原初黑洞与它们的“表亲”还有另一个共同点：霍金辐射。

斯蒂芬·霍金提出了霍金辐射（HR）的概念。简而言之，霍金辐射会随着时间的推移减少黑洞的质量，最终黑洞会蒸发，除非它吸积更多物质。遗憾的是，霍金辐射通常非常微弱，甚至远低于我们最先进的望远镜的探测阈值。

这种受高分辨率黑洞理论启发而产生的蒸发现象可能是KM3-230213A的成因。虽然在恒星级黑洞周围无法探测到这种现象，但对于质量小得多的原初黑洞来说，情况可能有所不同。

“黑洞的质量越轻，温度就越高，释放的粒子也就越多，”论文合著者、马萨诸塞大学阿默斯特分校物理学助理教授安德里亚·塔姆在新闻稿中表示。“随着原初黑洞的蒸发，它们的质量越来越轻，温度也越来越高，在失控的过程中释放出更多的辐射，直至爆炸。我们的望远镜能够探测到的正是这种霍金辐射。”

当原初黑洞（PBH）通过失控的超导反应蒸发时，它们最终会经历一次最终爆发。在最后一秒，它们会变得极热，并发生爆炸性蒸发。这种最终过程可以产生像KM3-230213A这样的高能中微子。

研究人员认为，这种现象大约每十年发生一次，而且这些爆炸会产生大量的亚原子粒子。他们认为，这些原初黑洞蒸发爆炸可能会产生所有已知亚原子粒子的目录，不仅包括我们已知的粒子，例如电子和夸克，还包括目前仅被假设存在的粒子，以及一些可能完全未知的粒子。

研究团队认为KM3-230213A可能是PBH蒸发的证据。但有一个问题。

冰立方中微子天文台没有探测到这次事件，事实上，它从未探测到过任何能量接近KM3-230213A的中微子。如果原初黑洞蒸发爆炸每十年发生一次，冰立方难道不应该至少探测到一次吗？冰立方已经观测了20年。

这是位于南极的冰立方中微子天文台

“我们认为带有‘暗电荷’的原初黑洞——我们称之为准极端原初黑洞——是缺失的一环，”马萨诸塞大学阿默斯特分校物理学博士后研究员、论文共同作者之一Joaquim Iguaz Juan说道。研究人员表示，带有暗电荷的原初黑洞（暗电荷本质上是一种质量非常大的假想电子，即“暗电子”）大部分时间都处于准极端状态。在这种状态下，原初黑洞的荷质比几乎达到其最大可能值。

IceCube 和 KM3NeT 的探测能量不同。IceCube 的探测能量上限为 10 PeV，这可以解释为什么它从未探测到 KM3-230213A。

作者解释说，对于处于准极端状态的原初黑洞，“1 PeV 的中微子发射可能比 100 PeV 的中微子发射更受抑制”。“KM3NeT 和 IceCube 观测所暗示的爆发率以及间接约束条件都可以在 1σ 置信度下保持一致。”

对于该研究的合著者贝克来说，暗电荷 PBH 的复杂性增加，使他们的解释更具真实性。

“还有其他更简单的原初黑洞模型，”论文合著者、马萨诸塞大学阿默斯特分校物理学助理教授迈克尔·贝克说，“我们的暗电荷模型更复杂，这意味着它可能提供更精确的现实模型。最酷的是，我们的模型可以解释这种原本无法解释的现象。”

塔姆补充道：“带有暗电荷的原初黑洞具有独特的性质，其行为方式与其他更简单的原初黑洞模型不同。我们已经证明，这可以解释所有看似矛盾的实验数据。”

对非物理学家来说，物理学似乎是一个充满谜团、如同神秘动物学般的世界，其中充斥着来自陌生源头、踏着陌生旅程的奇异粒子。但正是这些粒子共同构成了我们周围的宇宙。而我们一些最重大问题的答案，就蕴藏在这个奇特的世界中。

我们知道暗物质存在，或者说我们认为我们知道它存在，因为有大量证据表明质量缺失。但我们仍然不知道它究竟是什么。人们越来越相信原初黑洞是暗物质的候选者，而这项研究进一步增强了这种信心。

“如果我们假设的暗物质电荷是正确的，”胡安·伊瓜斯说，“那么我们相信可能存在大量的原初黑洞，这与其他天体物理观测结果一致，并且可以解释宇宙中所有缺失的暗物质。”

这种中微子能否帮助我们解答暗物质问题？它能否帮助物理学家填补我们对宇宙认知中的空白？

“观测到高能中微子是一件不可思议的事情，”贝克说。“它为我们打开了一扇了解宇宙的新窗口。但我们现在可能正处于实验验证霍金辐射、获得原始黑洞和超出标准模型的新粒子的证据以及解释暗物质之谜的关键时刻。”

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