南极冰盖深处的不可能信号难倒物理学家

该团队表示，实验的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——并非由冰层反射产生，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的理解来解释，可能预示着科学界此前未知的新型粒子或相互作用。

研究人员在《物理评论快报》期刊上发表了他们的成果。

参与ANITA团队寻找名为中微子的难以捉摸粒子信号的物理学、天文学和天体物理学副教授斯蒂芬妮·维塞尔（Stephanie Wissel）说："我们探测到的无线电波角度非常陡峭，大约在冰面以下30度。"

她解释称，根据他们的计算，反常信号在抵达探测器之前必须穿过数千公里的岩层并与之相互作用。由于会被岩层吸收，无线电信号本应无法被探测到。

维塞尔说："这是个有趣的问题，因为我们实际上仍然无法解释这些异常现象是什么。但我们知道的是，它们极有可能不代表中微子。"

维塞尔解释说：中微子是一种不带电的粒子，是所有亚原子粒子中质量最小的，在宇宙中大量存在。它们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发射，中微子信号无处不在。然而，这些粒子的问题是出了名的难以探测。

她说："任何时候都有数十亿中微子穿过你的拇指甲，但中微子几乎不发生相互作用。所以这是个双刃剑问题。如果我们探测到它们，意味着它们穿越漫长距离而未与其他任何物质发生作用。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：一旦被探测到并追溯至其源头，这些粒子能够比最高倍率的望远镜揭示更多关于宇宙事件的信息。因为粒子能以近乎光速不受干扰地传播，为发生在光年之外的宇宙事件提供线索。

维塞尔和世界各地的研究团队一直在努力设计和建造特殊探测器，以捕捉敏感的中微子信号，即使是相对微弱的信号也不例外。她指出，即使是一个来自中微子的微弱信号也蕴含着海量信息，因此所有数据都具有重要意义。

在南极洲和南美洲设计过中微子探测实验的维塞尔说："我们使用无线电探测器试图建造极其庞大的中微子望远镜，以追踪预期发生率极低的事件。"

ANITA是这类探测器之一，被部署在南极洲是因为那里受其他信号干扰的可能性很小。为了捕捉发射信号，球载无线电探测器被放飞在广袤冰原上空飞行，捕捉所谓的冰簇射。

维塞尔说："我们在气球上安装无线电天线，飞行于南极冰面上空40公里处。我们将天线指向下方冰层，寻找在冰中相互作用产生无线电发射的中微子信号，然后通过探测器感应这些信号。"

这些与冰相互作用的特殊中微子被称为陶中微子（tau neutrinos），它们会产生一种名为陶轻子（tau lepton）的次级粒子。该粒子释放出冰面后发生衰变——物理学用词，指粒子在空间传播过程中损失能量并分解为其组分粒子。这一过程会产生称为空气簇射的发射物。

维塞尔解释：如果肉眼可见，空气簇射可能看起来像朝一个方向挥动的烟花棒，拖着火花轨迹。研究人员能区分冰簇射和空气簇射这两种信号，从而确定产生该信号的粒子属性。

维塞尔表示：这些信号可追溯至其起源，类似于以特定角度抛出的球会以可预测的相同角度反弹。然而，近期发现的异常信号无法以此方式回溯，因为其角度远比现有模型预测的更为陡峭。

通过分析多次ANITA飞行收集的数据，并将其与数学模型以及常规宇宙射线和上行空气簇射的广泛模拟结果进行对比，研究人员能够滤除背景噪声并排除其他已知粒子信号的可能性。

随后，研究人员交叉比对了来自其他独立探测器（如冰立方实验和皮埃尔·俄歇天文台）的信号，以确认其他实验是否捕获到与ANITA发现类似的上行空气簇射数据。

维塞尔解释：分析表明其他探测器未记录到任何能解释ANITA探测结果的现象，这促使研究人员将该信号描述为"反常"信号，意味着引发该信号的粒子并非中微子。她说：这些信号不符合粒子物理学的标准图景，尽管若干理论推测可能是暗物质的迹象，但因缺乏冰立方和俄歇天文台的后续观测，可能性范围已大大缩小。

维塞尔说明：宾州州立大学建造探测器并分析中微子信号已近十年，她的团队目前正在设计建造下一代大型探测器。她表示：这个名为PUEO的新型探测器将更庞大，探测中微子信号的性能更优，有望揭示反常信号的本质。

"我推测在冰层附近和地平线附近发生了某种我不完全理解的无线电传播效应，"维塞尔说，"当然我们已研究了其中几种可能性，但目前仍未找到合理解释。因此现阶段这仍是个长期谜团。令我兴奋的是，当PUEO升空探测时，我们将拥有更高的灵敏度。理论上我们应该能捕捉更多异常信号，或许能真正理解它们。我们也可能探测到中微子，这在某些方面会更令人激动。"

其他宾州州立大学的合著者包括物理学博士生安德鲁·泽奥拉（Andrew Zeolla）。宾州州立大学科学家的研究由美国能源部和美国国家科学基金会资助。论文包含完整的合作者与作者名单。