神秘来客！从南极冰层中出现的未知粒子，或将打破现代物理学的规则

有一种神秘的东西从南极洲的冻土上冒出来，它可能超出我们所知道的物理学知识。

物理学家不知道它到底是什么。

但他们确实知道这是某种宇宙射线——一种高能粒子，通过太空，进入地球，然后又返回。

但是物理学家所知道的粒子——组成科学家们称之为粒子物理学标准模型(SM)的粒子集合——不应该能做到这一点。

当然，有一些低能量的中微子可以穿透数英里的岩石而不受影响。

但是高能中微子和其他高能粒子一样都很大。

这意味着它们几乎总是会在钻进地球后不久就撞到什么东西上，而且永远也不会从另一边撞出来。

然而，自2016年3月以来，研究人员一直在苦苦思索南极的两起事件:宇宙射线确实从地球深处爆发出来，并被美国宇航局的南极脉冲瞬态天线(ANITA)探测到。这是一个由气球携带着的在南部大陆漂移的天线。

(图源：NASA)

ANITA的设计初衷是为了从外太空捕捉宇宙射线，因此当仪器探测到似乎是从地球上爆发的而不是从太空疾驰而来的粒子时，高能中微子社区兴奋不已。

由于宇宙射线不应该这样做，科学家们开始怀疑这些神秘的光束是否由从未见过的粒子组成。

从那以后，物理学家对这些“向上”的宇宙射线提出了各种各样的解释，从无菌的中微子(中微子很少撞击到物质)到“地球内部非典型的暗物质分布”，提到了这种不与光相互作用的神秘物质形式。

所有的解释都很耐人寻味，并且认为ANITA可能已经发现了一个在标准模型中没有解释的粒子。

但没有任何一种解释最终证明，更普通的、已知的粒子不可能展示出ANITA观察到的现象。

今天(9月26日)，一篇新的论文上传到预印服务器arXiv上，改变了这一状况。

在这篇文章中，一组来自宾夕法尼亚州立大学的天体物理学家指出，向上运动的高能粒子比ANITA事件中探测到的要多。

他们写道，冰立方(南极洲另一个更大的中微子观测站)曾三次探测到类似的粒子，尽管还没有人将这些事件与ANITA的神秘事件联系起来。

结合冰立方(IceCube)和ANITA的数据，宾夕法尼亚州立大学的研究人员计算出，无论什么粒子从地球中喷发出来，它成为标准模型的一部分的概率都不到350万分之一。

(从技术、统计的角度来看，他们的结果是5.8和7.0西格玛，这取决于你看的是哪种计算。)

打破现有物理规则

这篇新论文的主要作者德里克·福克斯(Derek Fox)说，他在2018年5月第一次遇到ANITA事件，是在早些时候试图解释这些事件的一篇论文中。

“我想，‘这个模型没什么意义，’”福克斯告诉Live Science，“但ANITA的结果非常有趣，所以我开始研究它。”

“我开始和我办公室的邻居斯廷·西格尔德森(Steinn Sigurdsson)讨论，”他说，后者是论文的第二作者，也是宾夕法尼亚州立大学的教授。“我们是否能做出比迄今为止发表的论文更合理的解释。”

Fox, Sigurdsson和他们的同事开始从其他探测器收集的数据中寻找类似的事件。

他说，当他们在冰立方(IceCube)数据中发现可能发生的粒子上升事件时，他意识到自己可能遇到了一些真正改变物理学游戏规则的东西。

“这才是真正让我前进的原因，我非常严肃地看待ANITA事件，”他说，后来又补充说，“这是物理学家们生活的目的。”

他说:“这是一项非常重要的任务。打破模型，(在现实中)设置新的约束条件，了解我们不知道的宇宙。”

正如Live Science先前报道的那样，实验高能粒子物理学在过去几年一直处于停滞状态。

长达17英里(27公里)、价值100亿美元的大型强子对撞机(LHC)于2009年在法国和瑞士之间的边界建成,科学家认为它将开启超对称性的奥秘——神秘、理论类的粒子,科学家怀疑当前物理学以外可能存在这种物质,但是从来没有发现过。

根据超对称原理，标准模型(SM)中存在的每个粒子都有一个超对称伙伴。

研究人员怀疑这些伴侣的存在是因为已知粒子的质量不一致——彼此不对称。

“尽管标准模型(SM)很好地解释了许多现象，但它仍然有许多缺陷。”

加州大学欧文分校(UC Irvine)的粒子物理学家赛达·伊佩克(Seyda Ipek)没有参与目前的研究。

“例如，它不能解释暗物质的存在，(解释)中微子质量的数学上的古怪之处，或者解释宇宙中物质-反物质的不对称。”

然而，大型强子对撞机在2012年证实了希格斯玻色子的存在。希格斯玻色子是标准模型中最后一个未被发现的部分。

然后它就不再检测到任何重要或有趣的东西了。研究人员开始质疑现有的物理实验是否能探测到超对称粒子。

“我们需要新的想法。” 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的理论物理学家杰西•谢尔顿(Jessie Shelton)今年5月在接受《生活科学》(Live Science)采访时表示，大约在同一时间，福克斯开始对ANITA的数据感兴趣。

现在，几位没有参与宾州州立大学论文的科学家告诉Live Science，它提供了确凿(如果是不完整的)的证据，证明有新的东西真的到来了。

“从一开始就很明显,如果ANITA异常事件是由于粒子已经穿过地球数千公里,那么这些粒子很有可能不是标准模型中的粒子。” 哥本哈根大学尼尔斯波尔研究所(Niels Bohr Institute)的天体物理学家毛里西奥·布斯塔曼特(Mauricio Bustamante)说。

他补充说:“今天发表的论文首次系统地计算了这些事件是由标准模型(SM)中的中微子引起的可能性有多大。”

“他们的结果强烈否定了标准模型的解释。”

“我认为这非常令人信服。”洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)中微子物理学家比尔·路易斯(Bill Louis)说。

如果标准模型粒子产生了这些异常，它们应该是中微子。

研究人员知道，这既是因为它们衰变成的粒子，也是因为没有其他标准模型粒子有百万分之一的机会穿过地球。

但路易斯说，这种能量的中微子不应该经常穿过地球，让ANITA或冰立方能够探测得到。

这不是他们一般的特性。

但是像ANITA和冰立方这样的中微子探测器不能直接探测中微子。相反，他们探测到中微子在撞击地球大气层或南极冰后衰变的粒子。

还有其他的事件可以产生这些粒子，触发探测器。

路易斯说，这篇论文强烈暗示这些事件肯定是超对称的，不过他补充说，还需要更多的数据。

福克斯和他的同事继续论证这些粒子很可能是一种超对称的理论粒子，叫做“stau sleptons”。

Stau sleptons是标准模型粒子中轻子(tau lepton)的超对称版本。

S表示“超对称”(真的)。

路易斯说，在这个阶段，他认为这种程度的特异性“有点牵强”。

他说，作者提出了一个强有力的统计理由，即传统粒子不可能以这种方式穿过地球，但目前还没有足够的数据可以确定。

当然，他们还不能确定到底是什么粒子进行了这次旅行。福克斯对此没有异议。

“作为一个观察者，我不可能知道这是一个stau，”他说。

“从我的角度来看，我四处搜寻，试图发现关于宇宙的新事物，我遇到了一些非常奇怪的现象，然后和我的同事们一起做了一些文学研究，看看是否有人曾认为这可能发生。”

“然后如果我们在文献中发现一些论文，包括14年前的一篇论文预测了类似的现象，那么我就会觉得这很重要。”

他和他的同事确实发现了一长串理论学家的论文，他们预测道，在中微子天文台中可能会出现像这样的stau sleptons。

福克斯说，因为这些论文是在ANITA异常事件之前写的，这就有力地向他表明，那些理论家们也发现了些什么。

但他表示，在这方面仍有很多不确定性。

目前，研究人员只知道无论这个粒子是什么，它与其他粒子的相互作用都非常弱，否则它将永远无法在这颗行星的密集质量中存活下来。

他说，甚至有这种可能，出现的粒子可能是暗物质的一种形式。

每一位接受Live Science采访的物理学家都同意，研究人员需要收集更多的数据来证实ANITA和冰立方(IceCube)已经破获了超对称的秘密。

福克斯说，当冰立方的研究人员挖掘他们的数据档案时，有可能会发现更多以前没有被注意到的类似事件。

路易斯和巴斯塔曼特都表示，美国国家航空和宇宙航行局应该进行更多的ANITA飞行，以观察类似的上升粒子是否会出现。

Bustamante说:“如果我们能确定这些事件不是由于未知的其它因素造成的，比如南极冰的未测绘性质，我们希望其他仪器也能探测到这类事件。”

从长期来看，如果这些结果得到证实，而导致这些结果的粒子的细节被确定下来，一些研究人员说，ANITA异常现象可能会给LHC带来更多新的物理学发现。

“对于任何非标准模型的粒子的观察都会改变游戏规则，因为它会告诉我们在标准模型之后应该走哪条路，”Ipek说。

“他们所声称的(超对称)粒子的类型，已经产生了sleptons的标志，但这在大型强子对撞机里很难产生和检测到。”

“所以，如果它们能被其他类型的实验观察到，那就非常有趣了。当然，如果这是真的，那么我们将期待在大型强子对撞机(LHC)上观察到其他(超对称)粒子的痕迹，这将是对上述说法的补充检验。”

换句话说，ANITA的异常现象可以为科学家提供必要的关键信息，以适当调整LHC，以解开更多的超对称性之谜。

福克斯说，现在他只想要更多的数据。