一个国际研究团队透露，南极洲的宇宙粒子探测器发出了一系列违背当前粒子物理学认知的奇异信号。该团队包括宾夕法尼亚州立大学的科学家。南极瞬态脉冲天线（ANITA）实验装置探测到这些异常无线电脉冲——该实验通过在南极洲高空部署气球携带的仪器设备阵列，专门捕捉宇宙射线碰撞大气层时产生的无线电波信号。
该团队表示，实验目标是通过分析到达地球的信号，深入了解遥远的宇宙事件。这些信号——一种无线电波——似乎并非由冰面反射而来，而是源自地平线下方，这种方位无法用当前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。
研究人员在《物理评论快报》期刊上发表了他们的成果。
"我们探测到的无线电波角度非常陡峭，大约位于冰面下方30度，"参与ANITA团队搜寻神秘中微子信号的物理学、天文学和天体物理学副教授Stephanie Wissel解释道。
她指出，根据计算，这些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，这理应导致无线电信号被岩石吸收而无法被探测到。
"这是个有趣的问题，因为我们至今仍未真正找到这些异常现象的解释。但可以确定的是，它们极可能不代表中微子，"Wissel表示。
中微子是一种不带电荷的粒子，在所有亚原子粒子中质量最小，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释放，中微子信号无处不在。然而Wissel指出，这些粒子因极难探测而闻名。
"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。"这正是问题的双刃剑特性。如果我们能探测到它们，意味着它们在跨越如此长距离时未与任何物质发生作用。我们可能正在探测来自可观测宇宙边缘的中微子。"
Wissel补充道，一旦被探测并追溯到源头，这些粒子能比最高倍率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。
Wissel与全球研究团队一直致力于设计建造特殊探测器，以捕捉敏感的中微子信号，即使是相对微弱的信号。她强调，来自中微子的单个微小信号都蕴含着宝贵信息，因此所有数据都具有重要意义。
"我们使用无线电探测器构建超大型中微子望远镜，以应对预期极低的事件发生率，"曾在南极洲和南美洲设计中微子探测实验的Wissel解释道。
ANITA是此类探测器之一，部署在南极洲是因为那里几乎不存在其他信号干扰。为捕捉辐射信号，这个气球搭载的无线电探测器在冰原上空飞行，捕获所谓的冰簇射现象。
"我们在气球上安装无线电天线，飞行于南极洲冰面上空40公里处，"Wissel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应。"
这类与冰相互作用的特殊中微子称为陶子中微子，它们会产生名为陶轻子的次级粒子。该粒子从冰层释放后发生衰变——物理学术语指粒子在空间传播时损失能量并分解为组分的过程——从而产生称为空气簇射的辐射。
Wissel解释，若肉眼可见，空气簇射可能像单向挥舞的烟花棒，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，从而判断产生信号的粒子属性。
Wissel指出，这些信号可追溯其起源，如同以特定角度抛出的球体会以相同角度反弹。然而最近的异常发现无法以此方式溯源，因其角度比现有模型预测的尖锐得多。
通过分析多次ANITA飞行收集的数据，并与常规宇宙射线及向上空气簇射的数学模型和广泛模拟进行比对，研究人员得以滤除背景噪声并排除其他已知粒子信号的可能性。
研究团队随后与IceCube实验、皮埃尔·奥杰天文台等独立探测器的信号进行交叉验证，探查其他实验是否捕获到类似ANITA发现的向上空气簇射数据。
Wissel说明，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，这使研究人员将信号描述为"异常"。该信号不符合粒子物理学的标准图景，尽管若干理论暗示其可能是暗物质迹象，但IceCube和Auger缺乏后续观测数据极大限制了可能性。
Wissel表示宾州州立大学已建造探测器并分析中微子信号近十年，其团队正在设计建造下一代大型探测器。这款名为PUEO的新型探测器体积更大、探测能力更强，有望揭示异常信号的真实本质。
"我推测冰层附近和地平线方向可能发生某种尚未完全理解的无线电传播效应，但我们已探索多种可能性，至今仍未找到合理解释，"Wissel坦言。"目前这仍是悬而未解的谜团。我对PUEO的飞行充满期待，其更高灵敏度原则上应捕获更多异常现象，或许能真正理解其本质。当然，若能探测到中微子，某种意义上会更令人兴奋。"
宾州州立大学共同作者包括物理学博士生Andrew Zeolla。该校科学家的研究工作由美国能源部和美国国家科学基金会资助，论文包含全部合作者和作者名单。