神秘高能中微子信號(hào)：會(huì)是原初黑洞爆炸留下的“遺言”嗎？

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翻譯：劉海牧

校對(duì)：尹天任 王茸

審閱: 繆征一

美編：李鳴晨

后臺(tái)：李子琦

原文鏈接：https://phys.org/news/2026-02-high-energy-neutrino-event-primordial.html

原初黑洞在太陽系中蒸發(fā)的示意圖。黑洞蒸發(fā)過程中釋放出的霍金輻射產(chǎn)生了一個(gè)高能中微子，與 KM3NeT 探測到的事件相符，同時(shí)還釋放出可能被 LHAASO 觀測到的伽馬射線。

圖片來源：Airoldi 等人

KM3NeT 合作組是一個(gè)大型科研團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)運(yùn)營位于地中海深海中的中微子望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)，旨在探測高能中微子事件。這類事件是罕見且瞬時(shí)發(fā)生的高能相互作用，涉及中微子——一種質(zhì)量極其微小的粒子，有時(shí)也被稱為“幽靈粒子”。

近日，KM3NeT 合作組報(bào)告了一次極高能中微子事件，其能量約為 220 PeV（拍電子伏特）。這是迄今為止記錄到的能量最高的事件之一，其宇宙學(xué)起源尚未確定。

來自圣保羅大學(xué)和馬德里自治大學(xué)的研究人員開展了一項(xiàng)理論研究，探討了對(duì)這一極端中微子事件的一種可能解釋，即它起源于地球附近一顆原初黑洞的爆炸。

他們的論文發(fā)表在《物理研究快報(bào)》》(Physical Review Letters)上。研究表明，這一假設(shè)的可能性極低，并暗示該事件具有不同的天體物理起源。

“在 KM3NeT 事件公布之前，我們就已經(jīng)在研究中微子和伽馬射線望遠(yuǎn)鏡如何響應(yīng)持續(xù)時(shí)間非常短（少于約一小時(shí)）的宇宙事件，”論文合著者 Yuber F. Perez-Gonzalez 在接受 物理學(xué)家組織網(wǎng)(Phys.org) 采訪時(shí)表示。

“對(duì)于這些短暫信號(hào)而言，事件發(fā)生的時(shí)間和其在天空中的位置都至關(guān)重要，因?yàn)橹形⒆釉诘竭_(dá)探測器之前可能穿過不同厚度的地球介質(zhì)，這會(huì)影響其被觀測到的概率。作為一個(gè)具體例子，我們關(guān)注的是原初黑洞的最終蒸發(fā)階段，該過程預(yù)計(jì)會(huì)產(chǎn)生一次短暫的高能粒子爆發(fā)。”

黑洞是否曾在地球附近爆炸？

當(dāng) KM3NeT 合作組首次宣布這一極高能中微子事件時(shí)，全球多個(gè)天體物理團(tuán)隊(duì)立即著手確定其宇宙學(xué)起源。其中一些研究人員提出，該事件可能與附近一顆原初黑洞的爆炸有關(guān)。原初黑洞是一類在大爆炸后不久形成的微型黑洞。

Perez-Gonzalez 及其同事將此視為應(yīng)用其正在構(gòu)建的理論框架的一個(gè)機(jī)會(huì)。更具體地說，他們?cè)噲D確定：要產(chǎn)生觀測到的這一高能中微子事件，一顆原初黑洞需要在多近的距離發(fā)生爆炸？此外，這樣一次近距離爆炸還會(huì)產(chǎn)生哪些其他可探測信號(hào)？

“我們還希望檢驗(yàn)，在考慮現(xiàn)實(shí)探測器靈敏度和觀測條件后，原初黑洞的解釋是否仍然自洽，”Perez-Gonzalez 解釋道。

“如果一顆原初黑洞在地球附近蒸發(fā)，它不僅會(huì)釋放中微子，還會(huì)釋放大量其他粒子，尤其是伽馬射線和宇宙射線。這意味著此類事件應(yīng)當(dāng)在多種類型的觀測設(shè)備中留下信號(hào)，而不僅僅是在中微子探測器中。”

研究人員指出，如果一顆原初黑洞在足夠接近地球的位置爆炸，從而產(chǎn)生所報(bào)告的高能中微子事件，那么它也應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生可探測到的伽馬射線和宇宙射線信號(hào)。這些信號(hào)包括來自伽馬射線（即太空的電磁輻射爆發(fā)）以及宇宙射線（即高速運(yùn)動(dòng)的粒子流）。

“在我們的研究中，我們仔細(xì)考慮了不同觀測站在何時(shí)能夠?qū)嶋H觀測到相關(guān)天空區(qū)域，”Perez-Gonzalez 說。

“我們發(fā)現(xiàn)，如果確實(shí)發(fā)生了黑洞蒸發(fā)事件，位于西藏的一臺(tái)重要伽馬射線探測裝置——Large High Altitude Air Shower Observatory（LHAASO）——應(yīng)當(dāng)在 KM3NeT 事件發(fā)生前數(shù)小時(shí)就記錄到一個(gè)非常強(qiáng)的信號(hào)。然而并未觀測到這樣的信號(hào)，因此這一解釋的可能性大大降低。”

對(duì)未來中微子事件研究的啟示

Perez-Gonzalez 及其同事的最新論文強(qiáng)烈表明，KM3NeT 望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)探測到的這次中微子事件并不太可能與附近原初黑洞的蒸發(fā)（即逐漸縮小）或爆炸有關(guān)。未來的研究可以在此基礎(chǔ)上，探索該事件的其他可能天體物理解釋。

“我們工作的一個(gè)關(guān)鍵貢獻(xiàn)在于指出，對(duì)于持續(xù)時(shí)間極短的中微子事件，必須明確考慮不同探測器隨時(shí)間變化的視場范圍，”Perez-Gonzalez 表示。“對(duì)于瞬變事件，如果僅使用時(shí)間平均的靈敏度進(jìn)行分析，可能會(huì)得出具有誤導(dǎo)性的結(jié)論。”

值得注意的是，這項(xiàng)研究也強(qiáng)調(diào)了將中微子觀測數(shù)據(jù)與其他類型的數(shù)據(jù)和測量結(jié)果結(jié)合分析的重要性。通過綜合所有這些信息，天體物理學(xué)家或許能夠在不久的將來，對(duì)這次超高能中微子事件以及其他罕見事件和相關(guān)宇宙學(xué)情景給出明確解釋。

“盡管 KM3NeT 事件不太可能由原初黑洞蒸發(fā)引起，但繼續(xù)尋找此類事件仍然極其重要，”Perez-Gonzalez 補(bǔ)充道。

“如果真的觀測到這樣的事件，將為霍金輻射這一現(xiàn)代物理學(xué)的基本預(yù)言提供直接證據(jù)。在此基礎(chǔ)上，我們也正在擴(kuò)展這一理論框架，以探索未來的中微子和伽馬射線觀測是否能夠檢驗(yàn)對(duì)黑洞蒸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)圖景的偏離，或揭示超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理跡象。”

責(zé)任編輯：楊伯順

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