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粒子从哪来?海底高能中微子来源未明,五维黑洞成为理论候选

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2023年2月13日,地中海深处的探测器亮了。

不到两微秒,传感器记录了超过28000次光子命中。追溯这阵闪光,研究者估计来者是一颗约220PeV的中微子。

它的来源还没找到。一项新理论提出五维原初黑洞解释,但原初黑洞和额外空间维度都尚未被确认。

两微秒的闪光,怎样追溯到中微子

海底的KM3NeT探测器没有直接看见中微子。它记录的是中微子在附近相互作用后,产生的缪子留下的光。

缪子穿过探测器,沿途发出切伦科夫光。有些感光管接收的光太多,读数甚至饱和。

重建轨迹时,团队还辨认出三次突然的能量释放。它们帮助研究者估算缪子的能量,约为120PeV。再由缪子往回推,中微子的能量估计达到220PeV。

PeV是能量单位,每个PeV相当于千万亿电子伏特。

沿着它来的方向,团队未找到与候选天体的显著对应。活动星系核、伽马射线暴等解释仍在研究中。

五维原初黑洞,是理论物理学家提出的一种解释。



原初黑洞的艺术想象,用发光圆环表现假想的早期黑洞群。

多出来的方向,只有微米尺度

通常说的四维时空,是三个空间方向加上时间。论文里的五维,则是在空间中再加一个方向。

这个方向被设定为微米尺度。一微米是一米的百万分之一,远小于肉眼能分辨的日常物体。

模型把普通粒子所在的四维时空称为“膜”。引力可以进入更大的五维背景空间,普通物质则被限制在膜上。

可以借一张纸来想象这层关系。纸面上的对象只能沿纸面移动,外面却还有一个它无法自由进入的方向。

这张纸只用来类比空间方向。

莱曼学院的安乔多基等人,计算了这种设定下的小黑洞。

他们把量子引力约束加入形成模型,检查哪些黑洞构型能稳定存在。额外维度本身是计算的前提。

它们诞生时,还没有恒星

常见的恒星级黑洞,可由大质量恒星坍缩形成。原初黑洞的设想把诞生时间推到恒星出现之前。

早期宇宙里的高密度区域,可能直接坍缩成黑洞。它们因此可以很小,也不必先经历一颗恒星的生死。



宇宙演化的对照示意。上方先出现恒星,下方路线则设想黑洞早于恒星形成。

团队重点检查了两条形成路径。一条与早期宇宙的相变有关,另一条来自假想的宇宙弦。

宇宙弦是细长的高能缺陷,有点像物理场冷却后留下的“接缝”。

某些宇宙弦形成闭合环后,可能缩小并坍缩成黑洞。

按论文的约束,相变路径中的四维构型可能变得不稳定,转成五维。宇宙弦环形成的黑洞则可以从一开始就是五维。



宇宙弦网络的计算机模拟。白线表示假想宇宙弦,展示模型里细长缺陷的分布。

这些推导还要求,低能尺度没有某些额外的新物理。

活到今天,才有机会留下信号

按霍金蒸发理论,黑洞会发射粒子并逐渐失去质量。黑洞越小,温度越高,临近末期可能释放高能粒子。

同样质量下,五维黑洞可以比四维黑洞更冷、更长寿。

适当参数下,团队算出宇宙弦形成的黑洞寿命可接近138亿年。

这给了早期黑洞活到近代、再蒸发的可能性。海底那颗中微子,便被放进了这个解释框架。

伴随的光也是一条线索。模型允许黑洞在五维背景中发射粒子,再转为膜上的中微子,留下没有对应光子的信号。

如果黑洞靠近膜,直接发射普通粒子,情况就不同。这条路径仍可能产生光子。

接下来要比较的,是更多粒子的能量、方向,以及同一方向有没有光。已知的宇宙加速器,也得接受同样的检验。

海底闪光已经发生,第五维还在模型里。两者之间缺的,是能把其他解释区分开的后续观测。

若再来一颗这样的中微子,你更想知道它来自哪里,还是那里有没有同时发出光?

#黑洞 #原初黑洞 #中微子 #第五维 #宇宙学

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