南极冰层深处的不可能信号困扰着物理学家

该团队表示，实验目标是通过分析抵达地球的信号来洞察遥远的宇宙事件。这些信号——一种无线电波——并非从冰面反射而来，而是似乎来自地平线下方。这种方向无法用当前粒子物理学理论解释，可能暗示科学界此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角度非常陡峭，低于冰面约30度，"宾夕法尼亚州立大学物理学、天文学和天体物理学副教授斯蒂芬妮·维塞尔解释道。她曾参与ANITA团队搜寻名为中微子的难以捉摸粒子的信号。

她指出，根据计算，异常信号在抵达探测器前必须穿越数千公里岩层并与之相互作用，本应被岩石吸收而无法被探测到。

"这真是个有趣的问题，因为我们至今仍未找到这些异常现象的解释。但可以确定的是，它们极有可能不代表中微子，"维塞尔表示。

中微子作为零电荷且质量最小的亚原子粒子，在宇宙中大量存在。维塞尔解释称，这类粒子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。然而这些粒子的棘手之处在于极难探测。

"每时每刻都有十亿个中微子穿过你的指甲盖，但中微子几乎不发生相互作用，"她说。"这就是把双刃剑：若成功探测到，说明它们跨越遥远距离却未与其他物质发生作用。我们甚至可能探测到来自可观测宇宙边缘的中微子。"

维塞尔补充道，这些粒子一旦被探测并溯源，其揭示宇宙事件的能力远超最强望远镜——因为它们能以近乎光速无干扰地传播，为光年之外的宇宙事件提供线索。

维塞尔与全球研究团队致力于设计建造特殊探测器，以捕捉哪怕是微量的中微子信号。她强调，即使单个微小中微子信号也蕴含宝贵信息，所有数据都具有重要意义。

"我们利用无线电探测器构建超大型中微子望远镜，以应对极低预期事件率，"维塞尔说。她曾设计在南极洲和南美洲探测中微子的实验。

ANITA正是此类探测器之一，部署于南极洲因其受其他信号干扰的可能性极低。为捕捉辐射信号，这个气球载无线电探测器在冰原上空飞行，捕获所谓的冰簇射现象。

"我们在距南极冰面40公里的气球上安装无线电天线，"维塞尔描述道。"天线指向冰面，搜寻在冰层中相互作用的中微子，它们产生的无线电辐射可被探测器感知。"

这类与冰相互作用的特殊中微子称为τ中微子，会产生名为τ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），产生称为空气簇射的辐射。

维塞尔解释，若肉眼可见，空气簇射如同单向挥动的烟花棒，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，从而判定产生信号的粒子属性。

她指出，这些信号可追溯起源，类似以特定角度抛出的球体会按相同角度反弹的规律。但近期发现的异常现象无法如此溯源，因其角度比现有模型预测的更为陡峭。

通过分析多次ANITA飞行数据，并与常规宇宙射线及上行空气簇射的数学模型和广泛模拟进行对比，研究人员得以过滤背景噪声，排除了其他已知粒子信号的可能性。

团队随后交叉比对了冰立方实验（IceCube Experiment）和皮埃尔·奥格天文台（Pierre Auger Observatory）等独立探测器的数据，验证其他实验是否捕获到类似ANITA发现的上行空气簇射信号。

维塞尔阐释道，分析显示其他探测器未记录到任何能解释ANITA探测结果的现象，因此研究团队将该信号定义为"异常"。这意味着产生信号的粒子并非中微子，且不符合粒子物理学的标准框架。尽管若干理论暗示其可能是暗物质迹象，但冰立方和奥格天文台均未观测到后续信号，极大限制了可能性。

维塞尔说明宾州州立大学近十年来持续建造探测器并分析中微子信号，其团队正设计建造下一代大型探测器。这款名为PUEO（有效载荷超视距发射）的新探测器将具备更大规模和更优的中微子信号探测能力，有望揭示异常信号本质。

"我推测冰层附近及地平线区域存在某种尚未完全理解的无线电传播效应，"维塞尔表示。"我们已排查多种可能性但均未证实。当前这仍是悬而未解的谜团。PUEO升空后我们将获得更高灵敏度，理论上应能捕获更多异常信号，或许最终能破解谜题。当然若能探测到中微子，某种程度上会更令人振奋。"

宾州州立大学物理学博士生安德鲁·泽奥拉是该论文共同作者。本研究由美国能源部和国家科学基金会资助，论文包含全部合作者与作者名单。