1.媒體來源:
SciTechDaily
2.記者署名:
Ana Lopes，歐洲核子研究組織
3.完整新聞標題:
CERN實驗室重建物質/反物質黑洞噴流
4.完整新聞內文:
Fireball合作計畫使用CERN的HiRadMat設施來模擬從黑洞和中子星流出的物質和反物質噴
流。
在 CERN 的 HiRadMat 設施中，研究人員創造了一種高密度正負電子等離子體 束 ，可以
模擬黑洞的天文物理噴流，為空間現象提供新的見解。 噴流等宇宙事件鋪路 這些實驗有
助於用現實世界的數據驗證理論模型，為更深入地理解黑洞 。
潛入活躍星系的中心 ，你會發現一個 超大質量黑洞 正在吞噬周圍的物質。 在大約十
分之一的這類星系中，黑洞也會以接近光速的速度噴射出物質噴流。 人們認為這種相對
論性黑洞噴流除其他成分外還包含電子對及其 反物質 等價物正電子的等離子體。
這種相對論性電子-正電子等離子體被認為塑造了黑洞及其環境的動力學和能量預算。 但
這種現像到底是如何發生的仍然知之甚少，因為用天文觀測來測量等離子體和用電腦程式
來模擬它都很困難。
在 《自然通訊》 最近發表的一篇論文中，Charles Arrowsmith 和來自 Fireball 合作
計畫的同事報告了他們如何使用CERN的HiRadMat設施來產生電子-正電子等離子體的相對論
噴流，從而可以在實驗室實驗中詳細研究這種介質。
天體物理現象的實驗室複製
電子-正電子對的相對論性光束可以在不同類型的實驗室（包括高功率雷射設施）中以多
種方式產生。 然而，現有的方法都無法產生維持等離子體所需的電子-正子對數量－等離
子體是一種組成粒子連接非常鬆散的物質狀態。 如果不維持等離子體，研究人員就無法
研究這些黑洞噴流的類似物在穿過相當於實驗室的星際介質時如何變化。 這項研究是解
釋地面和太空望遠鏡觀測結果的關鍵。
Arrowsmith 和同事在 CERN 的 HiRadMat 設施中找到了一種滿足這些要求的方法。他們的方
法包括在短短納秒內從實驗室的超級質子同步加速器中提取多達三千億個質子並將它們發
射到石墨和鉭的目標上，其中一系列粒子相互作用產生大量的電子-正電子對。
對天文物理學研究的影響
透過使用一組儀器測量由此產生的相對論性電子-正電子束，並將結果與複雜的計算機模
擬進行比較，阿羅史密斯和他的同事表明，光束中電子-正電子對的數量（超過十萬億）
是十到十倍。
「電子-正電子等離子體被認為在天文物理噴流中發揮重要作用，但這些等離子體和噴流
的電腦模擬從未在實驗室進行過測試，」阿羅史密斯說。「實驗室實驗對於驗證模擬是
必要的，因為模擬中涉及的計算看似合理的簡化有時可能會導致截然不同的結論。」
該結果是 Fireball 合作在 HiRadMat 進行的一系列實驗的第一個結果。
實驗室天文物理學的未來方向
論文的合著者、首席研究員 Gianluca Gregori 表示：「這些實驗的基本思想是在實驗室
中重現天體物理現象的微觀物理，例如黑洞和中子星的噴流。」「我們對這些現象的了
解幾乎完全來自天文觀測和電腦模擬，但望遠鏡無法真正探測微觀物理，模擬涉及近似值
。 諸如此類的實驗室實驗是這兩種方法之間的橋樑。」
Arrowsmith 及其同事在HiRadMat 的等離子體研究的下一步是讓這些強大的噴流穿過一米
長的等離子體傳播，並觀察它們之間的相互作用如何產生磁場，從而加速射流中的粒子—
—這是高能領域最大的難題之一天體物理學。
「Fireball 實驗是 HiRadMat 產品組合的最新成員之一，」該設施的營運經理 Alice
Goillot 說道。 「我們期待利用歐洲核子研究組織加速器綜合體的獨特性能繼續重現這
些罕見現象。」
有關這項研究的更多信息，請參閱 實驗室中的迷你宇宙：在地球上創造“宇宙火球” 。
參考文獻：“相對論對等離子體束的實驗室實現”，作者CD Arrowsmith、P. Simon、PJ
Bilbao、AFA Bott、S. Burger、H. Chen、FD Cruz、T. Davenne、I. Efthymiopoulos、
DH Froula 、A. Goillot、JT Gudmundsson、D. Haberberger、JWD Halliday、T. Hodge
、BT Huffman、S. Iaquinta、F. Miniati、B. Reville、S. Sarkar、AA Schekochihin
、LO Silva、R. Simpson、V. Stergiou、RMGM Trines、T. Vieu、N. Charitonidis、
R. Bingham 和 G. Gregori，2024 年 6 月 12 日， 《自然通訊》 。
DOI：10.1038/s41467-024-49346-2
該計畫已獲得歐盟 Horizon Europe 研究與創新計畫的資助，資助協議編號為
101057511 (EURO-LABS)。
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6.備註:
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49346-2