一支由宾州州立大学等机构科学家组成的国际研究小组证实，南极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异常信号。南极瞬变脉冲天线实验（ANITA）通过高空气球搭载的仪器阵列，探测到这些异常的无线电脉冲——该实验旨在捕获宇宙射线撞击大气层时产生的无线电波。
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宇宙事件。这些信号——一种无线电波形式——并非由冰层反射产生，而似乎源自地平线下方。这种方向无法用当前粒子物理学理论解释，可能暗示着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以极陡角度传播，例如低于冰面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。
她解释称，根据计算，异常信号在抵达探测器前必须穿越并相互作用数千公里厚的岩层，本应因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解释这些异常现象的本质。但可以确定的是，它们极可能不代表中微子，"韦塞尔说。
中微子作为不带电荷且质量最小的亚原子粒子，在宇宙中大量存在。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天文事件释放，中微子信号无处不在。但韦塞尔指出，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拇指甲，但中微子几乎不发生相互作用，"她说。"这就是双刃剑问题：若能探测到，说明它们穿越漫长征途却未与任何物质作用。我们探测到的可能是来自可观测宇宙边缘的中微子。"
韦塞尔补充道，这些粒子一旦被探测并追溯至源头，所能揭示的宇宙信息甚至超越最强望远镜——因为它们能以近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建造特殊探测器，以捕捉微弱的中微子信号。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，以追踪极低预期发生率的事件，"曾设计南极与南美中微子探测实验的韦塞尔表示。
ANITA正是此类探测器之一，部署于南极因其受其他信号干扰概率极低。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"冰簇射"现象。
"我们将无线电天线安装在气球上，于南极冰面上空40公里处飞行，"韦塞尔说。"天线指向冰层，搜寻在冰中相互作用产生无线电辐射的中微子，再由探测器接收。"
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，由此产生名为"空气簇射"的辐射。
韦塞尔解释，若肉眼可见，空气簇射会像单向挥舞的烟花棒，拖曳着火花轨迹。研究人员通过区分冰簇射与空气簇射信号，可判定产生信号的粒子属性。
韦塞尔称，这些信号可追溯至起源，如同以特定角度抛出的球体会按相同角度反弹。但近期发现的异常信号因角度远超现有模型预测而无法追溯。
通过分析ANITA多次飞行数据，结合数学模型及常规宇宙射线与上行空气簇射的广泛模拟，研究者成功滤除背景噪声并排除了其他已知粒子信号的可能性。
研究人员还交叉比对了冰立方实验与皮埃尔·奥杰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。
韦塞尔解释，分析表明其他探测器未记录到任何可解释ANITA现象的数据，故研究者将信号描述为"异常"——意味着产生信号的粒子并非中微子。她指出，这些信号不符合粒子物理标准模型，虽有理论暗示可能是暗物质迹象，但冰立方与奥杰天文台缺乏后续观测数据极大限制了可能性。
韦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，其团队正设计建造新一代大型探测器PUEO。她表示这个更庞大灵敏的新装置有望揭示异常信号本质。
"我推测冰层与地平线附近存在尚未完全理解的无线电传播效应，但已探索多种可能性仍无定论，"韦塞尔说。"目前这仍是未解之谜，期待PUEO升空后凭借更高灵敏度捕获更多异常信号，或许能真正破解谜题。探测到中微子本身也将在某些层面更令人振奋。"
共同作者包括宾州州立大学物理学博士生安德鲁·泽奥拉。该校科学家的研究由美国能源部与国家科学基金会资助，论文包含全部合作者与作者名单。