新理論優雅破解宇宙最極端能量微中子起源！可能是原初黑洞爆炸

2023 年，KM3NeT 實驗偵測到一個能量比大型強子對撞機（LHC）高 10 萬倍的微中子撞擊地球，但宇宙沒有任何已知來源可催生這股能量——除了已故物理學家史蒂芬·霍金 1970 年代預測的原初黑洞。

微中子（Neutrino）又稱幽靈粒子，質量非常微小，不參與強交互作用和電磁交互作用，當你伸出手掌面向太陽，每秒就有數百兆個微中子穿過你的指尖但無所覺，就算躲在地底深處，微中子依然會穿透你的身體而不互動。

在地球附近檢測到的微中子大多源自太陽，少數高能量微中子源自宇宙事件，但 2023 年，位於地中海深處的 KM3NeT 探測器偵測到一個有史以來最極端的微中子——被命名為 KM3-230213A，以約 220 PeV 能量撞擊 KM3NeT 實驗探測器，比大型強子對撞機可產生的極限能量還高 100,000 倍，也是首次證實宇宙真存在如此高能量的微中子。

對天體物理學家來說，這道「鐵證」完全無法依據現有事實解釋，因為目前還沒有已知天體物理源可以發射具特定能量的微中子，直到最近，麻薩諸塞大學阿默斯特分校物理學家團隊提出一個優雅來源：不是宇宙射線或垂死恆星，而是宇宙創世之初就誕生且存在至今的原初黑洞。

與大質量恆星塌縮形成的恆星黑洞不同，原初黑洞（PBH）質量不一定非常大，甚至可能跟原子核一樣小。

史蒂芬·霍金 1974 年提出黑洞不會永遠存在，而會因事件視界附近的量子效應慢慢「蒸散」、洩漏粒子至太空，最終完全消失，這種現象被稱為霍金輻射，霍金還提出較小黑洞輻射量通常比正常黑洞大，所以前者縮小消失速度也比後者還快。

隨著原初黑洞透過霍金輻射效應緩慢發射粒子，它們變得越來越輕、越來越熱，逐漸失控直到爆炸。

有人會問若原初黑洞爆炸是極高能宇宙微中子來源，那麼位於南極洲的冰立方天文台（IceCube）規模更大，應該早偵測到類似事件，為何從來沒有？研究人員對此意識到問題不在探測器，而在我們對原初黑洞的假設。

根據團隊提出的「暗電荷」模型，好比普通物質具電磁性，暗物質可能具獨特「暗電磁性」，受「暗對稱性」控制，隨著原初黑洞蒸發縮小，暗電荷密度急劇上升，最終黑洞達到電斥力與引力平衡的準極端（quasi-extremal）狀態。

原初黑洞爆炸或可解釋一切現象

進入該狀態的原初黑洞基本上暫停蒸發，直到表面暗電場積累強烈到撕裂時空、產生暗電子對，稱為暗施溫格效應（dark Schwinger effect）。一旦該效應啟動，黑洞會迅速放電並爆炸，團隊計算出此特定類型爆炸會抑制黑洞發射 1 PeV 能量範圍的微中子（IceCube 最敏感的探測範圍），但大量釋出 100 PeV 能量範圍的微中子。

這項假設也強調原初黑洞可能構成宇宙所有暗物質，它們一生多數時間都處於休眠、準極端狀態，因此隱藏在陰影中不發出背景光，直到最後時刻才暴力輸出，包括已知粒子（如電子、夸克、希格斯玻色子）和假設粒子（如暗物質粒子）。

帶暗電荷的原初黑洞具獨特性質，行為方式不同於其他簡單原初黑洞模型，如果該團隊理論正確，那麼我們現正處於充滿微小帶電原初黑洞的宇宙中，這些黑洞偶爾像鞭炮一樣爆炸；這也是科學家驗證霍金輻射、獲取原初黑洞和標準模型之外新粒子證據的重要舞台，有助解釋暗物質之謎。

新論文發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters ）。

（首圖來源：NASA）