2023年，一次超高能中微子撞击地球的观测引发物理学界关注。研究人员指出，该粒子能量在理论上极难由已知天体过程产生，其能量约为大型强子对撞机（LHC）所能产生最高能量粒子的10万倍。

马萨诸塞大学阿默斯特分校（University of Massachusetts Amherst）一组物理学家近日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表研究，提出一种解释路径：该事件可能来自一种特殊黑洞——“准极端原初黑洞”（quasi-extremal primordial black hole, PBH）在蒸发末期的爆炸。

原初黑洞与霍金辐射机制

研究团队在论文中区分了两类黑洞来源：一类是由大质量恒星燃料耗尽后发生超新星爆发并坍缩形成的黑洞；另一类则是斯蒂芬·霍金在1970年提出的“原初黑洞”设想，即黑洞可能在宇宙大爆炸后不久的早期条件下形成。

论文称，原初黑洞目前仍处于理论层面，但其性质与常规黑洞类似，密度极高、逃逸困难；不同之处在于，其质量可能远小于迄今观测到的黑洞。霍金还提出，若黑洞足够“热”，可通过后来被称为“霍金辐射”的机制缓慢发射粒子。

“蒸发”走向失控并触发爆炸

研究合著者、马萨诸塞大学阿默斯特分校物理学助理教授安德里亚·塔姆（Andrea Tamm）在论文相关表述中称，黑洞质量越小，温度越高，辐射越强；随着原初黑洞持续蒸发，其质量进一步降低、温度进一步升高，辐射增强可能形成失控过程，最终以爆炸形式结束。团队认为，这类由霍金辐射驱动的末期爆发，理论上可能被现有观测手段捕捉。

研究还指出，若能观测到此类爆炸，可能为粒子物理提供更完整的粒子谱信息，既包括已知的电子、夸克与希格斯玻色子，也可能涉及尚处假设阶段的暗物质粒子及其他未知粒子。团队此前还提出，这类爆炸在宇宙中可能并非极端罕见，频率或可达到“大约每十年一次左右”，但截至目前仍缺乏直接观测证据。

KM3NeT观测与IceCube“缺席”的矛盾

论文将2023年的关键观测与上述理论联系起来：KM3NeT合作项目在当年捕捉到一次超高能宇宙中微子事件，被研究团队视为可能的候选信号。

不过，研究同时强调了数据层面的张力：另一项同样以探测高能宇宙中微子为目标的实验IceCube并未记录到该事件，且其历史数据中也未探测到能量达到该事件百分之一的粒子。研究据此提出疑问：如果原初黑洞在宇宙中较为丰富且爆炸频繁，探测器理应更常遭遇高能中微子信号。

“暗电荷”与准极端原初黑洞模型

为解释上述差异，研究团队提出“暗电荷”（dark charge）框架，并将携带暗电荷的原初黑洞称为“准极端原初黑洞”。论文合著者、马萨诸塞大学阿默斯特分校博士后研究员乔奎姆·伊瓜斯·胡安（Joaquim Iguaz Juan）表示，暗电荷被描述为与常规电荷类似的“复制版本”，但其对应的带电粒子包含一种非常重的假设电子版本，团队将其称为“暗电子”（dark electron）。

合著者、该校物理学助理教授迈克尔·贝克（Michael Baker）在论文相关表述中称，相比其他更简化的原初黑洞模型，引入暗电荷的方案更复杂，但团队认为该模型能够解释这一原本难以解释的观测现象。塔姆则表示，携带暗电荷的原初黑洞具有不同于简化模型的独特性质，团队认为这有助于在同一框架下协调看似不一致的实验数据。

与暗物质问题的关联

研究进一步将该模型与暗物质问题联系起来。贝克在论文相关表述中提到，对星系以及宇宙微波背景的观测显示暗物质存在。伊瓜斯·胡安则表示，如果暗电荷假设成立，可能存在大量原初黑洞，这既可与其他天体物理观测结果相容，也可能解释宇宙中“缺失的暗物质”。

研究团队总结称，2023年的高能中微子观测为理解宇宙提供了新的观测窗口，并认为相关研究可能推动对霍金辐射的实验检验，以及对原初黑洞与超出标准模型新粒子的进一步寻找。