一个由宾州州立大学科学家参与的国际研究团队发现，南极宇宙粒子探测器发出的一系列异常信号与当前粒子物理学认知不符。南极瞬变天线（ANITA）实验探测到这些异常的无线电脉冲——该实验装置由一组高悬于南极上空的气球搭载，专门用于探测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，深入了解遥远的宇宙事件。这些信号（一种无线电波）似乎并非来自冰层反射，而是源自地平线以下——这种方向无法用当前粒子物理学认知解释，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》。
"我们探测到的无线电波以极其陡峭的角度传播，比如低于冰面30度，"参与ANITA实验团队（负责搜寻名为中微子的难捕捉粒子信号）的物理学、天文学与天体物理学副教授斯蒂芬妮·维塞尔表示。
她解释道，根据计算，异常信号在抵达探测器前必须穿越并相互作用于数千公里厚的岩层，按常理无线电信号应被岩石吸收而无法探测。
"这是个有趣的问题，因为我们至今仍未真正找到对这些异常现象的解释。但目前所知的是，它们极大概率不代表中微子，"维塞尔说。
中微子作为不带电且质量最小的亚原子粒子，在宇宙中大量存在。维塞尔解释说，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。但问题在于这类粒子以极难探测著称。
"每时每刻都有十亿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。"这就是双刃剑问题。如果我们能探测到它们，意味着它们跨越如此距离却未与任何物质作用。我们可能探测到来自可观测宇宙边缘的中微子。"
维塞尔补充道，这类粒子一旦被探测并追溯至源头，其揭示宇宙事件的能力甚至超越最高性能望远镜——因为粒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。
维塞尔与全球研究团队一直致力于设计建造特殊探测器，以捕捉微弱的中微子信号（即使信号量很小）。她强调，单个中微子信号都蕴含大量信息，所有数据都具有重要价值。
"我们使用无线电探测器构建超大型中微子望远镜，以应对极低的预期事件率，"维塞尔表示。她曾设计在南极洲和南美洲探测中微子的实验。
ANITA是此类探测器之一，部署于南极洲因其受其他信号干扰概率极低。为捕捉辐射信号，气球搭载的无线电探测器在冰原上空飞行，捕获所谓的冰淋现象。
"我们在气球上安装无线电天线，飞行于南极冰盖上空40公里处，"维塞尔说。"天线指向冰面，搜寻在冰层中相互作用产生无线电辐射的中微子，再由探测器感应。"
这类与冰相互作用的特殊中微子（称为τ中微子）会产生次级粒子τ轻子。该粒子穿出冰层后发生衰变（物理学中指粒子在空间中传播时损失能量并分解为组分的过程），产生的辐射称为空淋。
维塞尔解释，若肉眼可见，空淋效果类似单向挥动的烟火棒，带有火花尾迹。研究人员能区分冰淋与空淋信号，从而判断产生信号的粒子属性。
维塞尔称，这些信号可追溯起源，原理类似预测抛射球的反弹角度。但近期发现的异常现象无法如此追溯，因其角度远超现有模型预测。
通过分析多次ANITA飞行数据，并结合数学模型及常规宇宙射线与上行空淋的广泛模拟，研究人员成功滤除背景噪声，排除了其他已知粒子信号的可能性。
随后研究人员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，检验其他实验是否捕获到类似ANITA发现的上行空淋数据。
维塞尔指出，分析表明其他探测器未记录到任何可解释ANITA探测结果的现象，因此团队将信号定性为"异常"——即产生信号的粒子并非中微子。该信号不符合粒子物理标准模型，虽有理论推测其可能暗示暗物质，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范围。
维塞尔表示，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，其团队正设计下一代大型探测器。新型探测器PUEO将更大且更擅长探测中微子信号，有望揭示异常信号的本质。
"我推测可能与冰层和地平线附近发生的特殊无线电传播效应有关，但目前尚未完全理解。我们已深入探索多种可能性，但仍未找到合理解释，"维塞尔说。"当前这仍是未解之谜。期待PUEO升空后提供更高灵敏度。理论上应捕获更多异常信号，或许能真正破解谜团。也可能探测到中微子——后者在某些层面会更令人振奋。"
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和国家科学基金会资助。论文包含全部合作者与作者名录。