一个由国际研究团队（包含宾夕法尼亚州立大学科学家）发现，南极洲宇宙粒子探测器发出的一系列异常信号挑战了当前粒子物理学的认知框架。南极瞬变脉冲天线实验（ANITA）捕获到这些反常的无线电脉冲——该实验通过在南极洲上空高海拔区域部署飞艇搭载的仪器阵列，专门探测宇宙射线撞击大气层时产生的无线电波。
实验团队表示，该实验的目标是通过分析抵达地球的信号，深入了解遥远的宇宙事件。这些信号（一种无线电波）并非从冰层反射而来，而是似乎源自地平线下方——这种方向无法用当前的粒子物理学理论解释，可能暗示着科学界先前未知的新型粒子或相互作用。
研究人员将成果发表于《物理评论快报》期刊。
"我们探测到的无线电波入射角度极其陡峭，低于冰面约30度，"参与ANITA团队搜寻神秘中微子信号的物理学、天文学与天体物理学副教授斯蒂芬妮·韦塞尔表示。
她解释道，根据计算，这些异常信号在抵达探测器前必须穿透并相互作用数千公里的岩层，本应因被岩石吸收而无法被探测到。
"这是个耐人寻味的难题，因为我们至今仍无法真正解释这些反常现象的成因。但可以确定的是，它们极可能不代表中微子，"韦塞尔说。
中微子作为一种不带电荷且质量最轻的亚原子粒子，在宇宙中大量存在。通常由太阳等高能源或超新星甚至宇宙大爆炸等重大宇宙事件释放，中微子信号无处不在。但韦塞尔指出，这类粒子的探测难度众所周知。
"每时每刻都有十亿个中微子穿过你的指甲盖，但它们几乎不发生相互作用，"她说，"这正是双刃剑问题。若能探测到它们，就意味着这些粒子穿越漫长旅途却未与其他物质作用。我们甚至可能探测到来自可观测宇宙边缘的中微子。"
韦塞尔补充道，一旦探测到这些粒子并追溯其来源，它们能比最高倍的望远镜揭示更多宇宙事件信息——因为中微子能以近乎光速不受干扰地传播，为光年之外的宇宙事件提供线索。
韦塞尔与全球研究团队致力于设计和建造特殊探测器，以期捕获微弱的中微子信号，即便是极少量信号。她强调，即使单个中微子的微小信号也蕴含宝贵信息，所有数据都具有重要意义。
"我们使用无线电探测器构建极其庞大的中微子望远镜，以追踪预期发生率极低的事件，"在南极洲和南美洲设计中微子探测实验的韦塞尔表示。
ANITA正是这类探测器之一，因其受其他信号干扰的可能性极低而被置于南极洲。为捕获辐射信号，这个气球悬挂的无线电探测器飞越冰原上空，捕捉所谓的"冰簇射"现象。
"我们在南极洲上空40公里处飞行的气球上安装了无线电天线阵列，"韦塞尔描述，"天线指向下方冰层，搜寻在冰层中相互作用的中微子——这些作用会产生可被探测器感知的无线电辐射。"
这类与冰相互作用的特殊中微子称为陶子中微子，它们产生名为陶轻子的次级粒子。该粒子穿出冰层后发生衰变（物理学中指粒子在空间传播时损失能量并分解为组分的过程），由此产生的辐射称为"空气簇射"。
韦塞尔解释，若肉眼可见，空气簇射可能类似单向挥舞的烟火棒，带有拖曳的火花轨迹。研究人员能区分冰簇射与空气簇射两种信号，据此判定产生信号的粒子属性。
韦塞尔比喻道，这些信号可追溯至起源处，如同以特定角度抛出的球体会以相同角度反弹。然而近期发现的异常信号却无法如此追溯，因其角度比现有模型预测值尖锐得多。
通过分析多次ANITA飞行数据，结合数学模型以及对常规宇宙射线和上行空气簇射的广泛模拟，研究人员成功滤除背景噪声并排除了其他已知粒子信号的可能性。
研究团队还交叉比对了冰立方实验站和皮埃尔·俄歇天文台等独立探测器的信号，验证其他实验是否捕获到类似ANITA发现的上行空气簇射数据。
韦塞尔说明，分析显示其他探测器未记录到可解释ANITA探测结果的信号，因此研究团队将其定性为"反常"信号——意味着产生该信号的粒子并非中微子。这些信号不符合粒子物理学的标准框架，虽有若干理论推测其可能暗示暗物质存在，但冰立方和俄歇天文台均未观测到后续信号，这大大缩小了可能性范围。
韦塞尔指出，宾州州立大学已开展近十年的中微子探测器建造与信号分析工作，其团队正设计建造下一代大型探测器。这款名为PUEO的新型探测器将具备更大规模与更优的中微子信号探测能力，有望揭示异常信号的真实本质。
"我推测冰层附近及地平线区域可能存在某种尚未被完全理解的无线电传播效应，"韦塞尔表示，"我们已深入探索多种可能性，但至今仍未找到合理解释。因此这仍是悬而未解的长期谜题。我对PUEO的升空充满期待，其更高灵敏度原则上应捕获更多异常事件，或许最终能解密其本质。当然若能探测到中微子，从某些角度看会更令人振奋。"
论文合著者包括宾州州立大学物理学博士生安德鲁·泽拉。该校科学家的研究由美国能源部和国家科学基金会资助，完整合作者与作者名单详见论文。