中微子常被稱為“幽靈粒子”，因?yàn)樗鼈儙缀醪慌c物質(zhì)發(fā)生作用，既無形又無影，卻是宇宙中數(shù)量最多的粒子類型。日前，科學(xué)家觀測(cè)到一個(gè)前所未有的超高能中微子，但其能量來源仍是謎團(tuán)。

麻省理工學(xué)院（MIT）的一項(xiàng)最新研究提出：迄今觀測(cè)到的能量最高的“幽靈粒子”（中微子），可能源自一個(gè)正在爆炸的原初黑洞。所謂原初黑洞（Primordial Black Holes，PBHs），是宇宙大爆炸后最初瞬間形成的微觀黑洞，被認(rèn)為可能構(gòu)成了宇宙中大部分乃至全部的暗物質(zhì)。相關(guān)論文已發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。

與普通黑洞類似，PBHs 會(huì)通過“霍金輻射”不斷泄露能量并逐漸蒸發(fā)直至消失?；艚疠椛溆晌锢韺W(xué)家史蒂芬·霍金提出：黑洞越小，溫度越高，輻射的粒子能量就越高。隨著蒸發(fā)加速，最終會(huì)引發(fā)一次極其劇烈的爆炸，釋放出能量最高的粒子。

MIT 研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算，如果暗物質(zhì)主要由 PBHs 構(gòu)成，那么在銀河系中應(yīng)當(dāng)存在一小部分 PBHs 正處于“生命的最后時(shí)刻”，不斷爆炸。理論上，這些爆炸有可能在太陽系附近發(fā)生，噴射出高能粒子，其中包括中微子，并被地球探測(cè)器捕獲。

若這一假設(shè)成立，這次中微子探測(cè)將可能成為人類首次觀測(cè)到霍金輻射。這不僅為原初黑洞的存在提供證據(jù)，也可能揭示暗物質(zhì)的真實(shí)面貌——這一占宇宙物質(zhì)總量 85% 的神秘成分，至今未被直接探明。

研究第一作者、MIT 物理系博士生 Alexandra Klipfel 表示：“我們的計(jì)算表明，一切都有可能對(duì)得上：如果暗物質(zhì)主要由原初黑洞構(gòu)成，那么它們爆炸就能產(chǎn)生這種超高能中微子。接下來，我們可以通過更多實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證?！?/p>

超高能中微子的發(fā)現(xiàn)

今年 2 月，地中海海底的立方公里中微子望遠(yuǎn)鏡（KM3NeT）團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，探測(cè)到史上能量最高的一顆中微子，其能量超過 100 拍電子伏特（PeV）。相比之下，人類現(xiàn)有的粒子加速器遠(yuǎn)無法達(dá)到如此能量。

類似的高能中微子，此前也曾被南極冰下的“冰立方中微子天文臺(tái)”（IceCube）捕捉過數(shù)次。但這些粒子來源一直難以解釋。更棘手的是，如果按 IceCube 估算的發(fā)生率，KM3NeT 觀測(cè)到的這次“超高能事件”幾乎不可能出現(xiàn)。這種矛盾被科學(xué)界稱為觀測(cè)數(shù)據(jù)間的“張力”。

Klipfel 與 MIT 物理學(xué)教授 David Kaiser 因此前正在研究原初黑洞，便提出了一個(gè)大膽設(shè)想：是否可能是某個(gè) PBH 爆炸，同時(shí)解釋了 IceCube 的幾次觀測(cè)以及 KM3NeT 的極端事件？如果成立，這不僅意味著中微子的來源被找到，更可能意味著我們首次見到了霍金輻射的“遺跡”。

理論推演

研究團(tuán)隊(duì)首先計(jì)算了黑洞在爆炸前應(yīng)釋放多少粒子。大質(zhì)量黑洞溫度極低，輻射的粒子能量極低，幾乎不可探測(cè)。但微小的 PBHs 則截然不同：在其最終蒸發(fā)的納秒內(nèi)，當(dāng)其體積縮小到原子以下時(shí)，會(huì)釋放出數(shù)量級(jí)高達(dá)102? 個(gè)中微子，能量約為 100 PeV，正好與 KM3NeT 的觀測(cè)吻合。

進(jìn)一步計(jì)算表明，如果銀河系中暗物質(zhì)主要由 PBHs 組成，那么在我們所在的區(qū)域，每年每立方秒差距內(nèi)（1 秒差距約等于 3 光年）應(yīng)當(dāng)有約 1000 個(gè) PBHs 爆炸。

為了讓地球探測(cè)到這種中微子，爆炸需發(fā)生在距太陽系不遠(yuǎn)的地方——約為地日距離的 2000 倍。團(tuán)隊(duì)估算，這種事件在 14 年里出現(xiàn)一次的概率為 8%。雖然不算高，但已足夠讓科學(xué)家們認(rèn)真對(duì)待，尤其在缺乏其他合理解釋的情況下。

Kaiser 表示：“8% 并非很高，但它足以讓我們把這種可能性納入考慮。畢竟，目前還沒有任何其他模型能同時(shí)解釋這些超高能中微子事件?！?/p>

這項(xiàng)理論目前還需要更多觀測(cè)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證?？茖W(xué)家們需要探測(cè)到更多類似的“瘋狂高能”中微子，以積累統(tǒng)計(jì)學(xué)證據(jù)。如果能夠確認(rèn)，就意味著人類首次直接捕捉到霍金輻射的跡象，這將是對(duì)黑洞物理基本理論的重大驗(yàn)證。

此外，如果同時(shí)能通過其他手段探測(cè)到附近的 PBHs，也將進(jìn)一步支持“暗物質(zhì)主要由原初黑洞構(gòu)成”的假說。

Kaiser 總結(jié)道：“這可能是我們觀測(cè)霍金輻射的最佳機(jī)會(huì)。一旦得到驗(yàn)證，不僅能解釋中微子事件，也將揭開暗物質(zhì)之謎的一角。這無疑是一個(gè)令人振奮的前景。”

本研究獲得了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、MIT 理論物理中心與美國(guó)能源部的資助。

1.https://news.mit.edu/2025/could-primordial-black-holes-last-burst-explain-mysteriously-energetic-neutrino-0918