黑洞成宇宙級粒子加速器，比大型強子對撞機更強大的新選擇？

大型強子對撞機改變了粒子物理學，現在科學家又在構思更強大的超級對撞機。但超級對撞機需要龐大資金與時間，科學家轉向更便宜自然替代方案尋找暗物質和其他難捉摸的粒子。新論文描述超大質量黑洞如何創造緻密環境讓粒子以相對論性速度旋轉並相互碰撞，釋放地球可偵測到的其他粒子。

這項研究發表於《物理評論快報》（Physical Review Letters），結果可能有助補足歐洲大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）這類研究設施所需的數十億美元經費和數十年建造時間。粒子加速器以近光速將質子及其他亞原子粒子互相撞擊，揭示物質最根本的性質。從撞擊產生的微弱閃光與殘骸，可能揭露尚未發現的新粒子，包括暗物質候選者的粒子。大型強子對撞機是目前全球最大、能量最高的粒子加速器，加速軌道是一條長達27公里的圓形隧道，不僅推動粒子物理學，也促成網際網路、癌症治療與高效能運算等重大進展。

▲ 2021年LHC緊湊緲子線圈（CMS）偵測器停機維護。（Source：Hertzog, Samuel Joseph / Ordan, Julien Marius (CERN)）

團隊指出，星系中心快速旋轉的大質量黑洞會釋放大量電漿噴發，很可能是黑洞自轉能量與周圍吸積盤驅動的噴流造成，這些現象與人造超級粒子加速器產生的效果類似。在快速旋轉的黑洞附近，粒子會混亂碰撞，產生部分粒子會掉進黑洞中心，永遠消失。但有些粒子會拋出來，但已加速到前所未有的高能狀態，透過計算發現這些粒子能量與超級對撞機產生能量一樣強，甚至更高。如果超大質量黑洞能用高能量質子碰撞產生粒子，或許就能在地球接收某些極高能粒子快速穿過探測器的訊號，是宇宙最神祕天體之一的全新型態粒子加速器的證據，能量甚至遠高於任何地面加速器可達範圍。

當然，即使團隊理論正確，從數萬光年之外的加速器捕捉這些高能量粒子也非常棘手。為了偵測高能粒子，科學家可用已在追蹤超新星、大質量黑洞噴發的觀測站。這些觀測站有設在南極的冰立方微中子觀測站（IceCube Neutrino Observatory）以及最近地中海下方探測到史上最強微中子的立方公里微中子望遠鏡（KM3NeT）。

「超級對撞機與黑洞的差異在於，黑洞距離我們很遠」，論文作者之一席爾克說，「但即使如此，這些粒子還是能抵達地球」。