近日，国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”国际合作组在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表了关于原初黑洞搜寻的最新突破性成果。该研究利用LHAASO数据，对原初黑洞寿命末期产生的“原初黑洞暴”进行了首次全天空搜寻，并给出了国际最严格的观测限制。东北大学张鑫教授作为论文的共同通讯作者，在此项具有里程碑意义的研究中发挥了关键作用。
原初黑洞是理论上存在于宇宙极早期的高密度区域直接引力塌缩形成的黑洞，是探索宇宙早期物理的重要探针，也是暗物质的候选体之一。质量约为10^15克的原初黑洞，其寿命与宇宙年龄相当，会在灭亡的最后时刻通过霍金辐射机制，产生持续数秒至数百秒、强度极高的伽马射线暴，即“原初黑洞暴”。探测此类信号对人类理解宇宙起源、粒子物理基本规律及引力与热力学的深层联系具有重大意义。
该项研究基于LHAASO水切伦科夫探测器阵列（WCDA）在2021年3月至2024年7月间累积的1241天的高质量观测数据，针对10秒、20秒和100秒这三个最灵敏的时间窗口，在约1至15 TeV的伽马射线能段内，对全天空进行了系统性搜寻。研究团队采用了创新的似然比检验方法，对海量数据中的瞬时信号进行扫描分析。
分析结果显示，在现有数据中未发现显著的原初黑洞暴信号。基于此，研究团队在99%的置信度下，对原初黑洞的本地爆发率密度设定了上限。其中，对20秒时标的限制最为严格，达到181个每立方秒差距每年。
LHAASO此次给出的限制结果，比以往国际最佳限制提升了一个数量级以上，为相关早期宇宙模型和暗物质模型提供了至关重要的实验约束。这一“未发现”的结论同样具有极高科学价值，它显著缩小了理论模型的参数空间。
该研究成果充分展现了LHAASO实验在国际伽马射线天文领域的领先地位。东北大学张鑫教授与LHAASO实验团队紧密合作，为该项研究提供了关键性的想法和研究建议，其前期的理论研究结果为实验团队的数据分析提供了有价值的参考。该项合作研究成果彰显了东北大学在基础科学前沿领域参与国际大科学合作、解决世界级科学难题的雄厚实力与学术影响力。随着LHAASO后续数据的持续积累以及新探测器阵列的建成，人类对原初黑洞等极端宇宙现象的探索将迈向新的高度。
该项研究由中国科学院高能物理研究所毕效军研究员、李哲副研究员、博士后姜候兵、博士后胡世聪、杭州师范大学王赛教授以及东北大学张鑫教授作为共同通讯作者。
论文链接: https://link.aps.org/doi/10.1103/nkby-9cs3
