近日,國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測站(LHAASO,拉索)”國際合作組在國際物理學頂級期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發(fā)表了關(guān)于原初黑洞搜尋的最新突破性成果。該研究利用LHAASO數(shù)據(jù),對原初黑洞壽命末期產(chǎn)生的“原初黑洞暴”進行了首次全天空搜尋,并給出了國際最嚴格的觀測限制。
原初黑洞是理論上存在于宇宙極早期的物質(zhì)高密度區(qū)域直接引力塌縮形成的黑洞,是探索宇宙早期物理的重要探針,也是暗物質(zhì)的候選體之一。原初黑洞通過霍金輻射過程產(chǎn)生高能輻射現(xiàn)象,特別是,質(zhì)量約為10億噸的原初黑洞,其壽命與宇宙年齡相當,會在滅亡的最后時刻產(chǎn)生持續(xù)數(shù)秒至數(shù)百秒、強度極高的伽馬射線暴,即“原初黑洞暴”。探測此類信號對人類理解宇宙起源、暗物質(zhì)本質(zhì)、粒子物理基本規(guī)律及引力與熱力學的深層聯(lián)系具有重大意義。
研究團隊利用拉索的水切倫科夫探測器陣列在2021年3月至2024年7月間累積的1241天的高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù),針對10秒、20秒和100秒這三個最靈敏的時間窗口,在約1至15 TeV的伽馬射線能段內(nèi),對全天空進行了系統(tǒng)性搜尋。雖然暫未發(fā)現(xiàn)明確信號,但這一“零發(fā)現(xiàn)”同樣意義重大——在99%置信度下,將原初黑洞爆發(fā)率鎖定為每立方光年每年不超過5.2次,比國際現(xiàn)有紀錄提高10倍以上。

圖:在99%的置信度下,不同實驗對宇宙中每立方光年每年發(fā)生原初黑洞暴的次數(shù)給出的限制。圖中洋紅色上限來自于LHAASO實驗組通過10s、20s、以及100s的搜尋窗口給出的國際上最嚴格的限制:即每立方光年每年少于5.2次。
拉索此次給出的限制結(jié)果為相關(guān)早期宇宙模型和暗物質(zhì)模型提供了至關(guān)重要的實驗約束,顯著縮小了理論模型的參數(shù)空間。該研究成果充分展現(xiàn)了拉索實驗在國際伽馬射線天文領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
該工作由中國科學院高能物理研究所的畢效軍研究員、李哲副研究員、博士后姜候兵、博士后胡世聰以及杭州師范大學王賽教授和東北大學張鑫教授作為共同通訊作者。
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