奇异的粒子继续飞出南极洲的冰，他们可能会破坏现代物理学

Posted 2021-01-08 xjsp

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一支飞行成功后，一支团队恢复了NASA的南极脉冲瞬态天线（ANITA）。

图片来源：澳大利亚南极分部

在南极洲的冰冻地面上出现了一些神秘的东西，它可能会破坏我们所知道的物理学。

物理学家不知道究竟是什么。但他们确实知道它是某种宇宙射线 - 一种高能粒子，它在太空中冲击地球，然后再次退出。但物理学家所知道的粒子 - 粒子的集合构成科学家称之为粒子物理学的标准模型（SM） - 不应该这样做。当然，有低能量的中微子可以穿过数英里的岩石不受影响。但高能中微子以及其他高能粒子具有“大截面”。这意味着它们几乎总是在拉入地球之后很快就会崩溃，并且永远不会从另一边出来。

然而，自2016年3月以来，研究人员一直困惑 于南极洲的两次事件，宇宙射线从地球爆发，并被美国宇航局的南极脉冲瞬态天线（ANITA）探测到 - 这是一种漂浮在南部大陆上的气球天线。

ANITA设计用于捕捉来自外太空的宇宙射线，因此当仪器检测到似乎从地球爆炸而不是从太空缩小的粒子时，高能中微子群体兴奋地嗡嗡作响。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是由以前从未见过的粒子构成的。

从那时起，物理学家就这些“向上走向”的宇宙射线提出了各种解释，从无菌的中微子 （很少进入物质的中微子）到“ 地球内部的非典型暗物质分布 ”，引用了神秘的物质形态。

所有的解释都很有趣，并且表明ANITA可能已经检测到标准模型中未考虑的粒子。但没有一个解释最终证明了一些更普通的东西不能在ANITA引起信号。

今天 （9月26日）上传到预印本服务器arXiv 的新论文改变了这一点。其中，来自宾夕法尼亚州立大学的一组天体物理学家表示，与两次ANITA事件中发现的高能粒子相比，存在更多向上的高能粒子。三次，他们写道，IceCube （另一个更大的中微子天文台在南极洲虽然还没有人将这些事件与ANITA的神秘事物联系起来，但他们发现了类似的粒子。并且，结合IceCube和ANITA数据集，宾夕法尼亚州立大学的研究人员计算出，无论粒子是从地球上爆发出来的，它都有不到三分之一的机会成为标准模型的一部分。（在技术，统计方面，他们的结果具有5.8和7.0西格玛的置信度，这取决于他们正在查看的计算。）

打破物理学

新报纸的第一作者德里克福克斯说，他在2018年5月首次发现ANITA事件，其中一篇早期的文章试图解释它们。

“我当时想，‘这个模型没有多大意义，‘”福克斯告诉Live Science，“但[ANITA]的结果非常有趣，所以我开始检查它。我开始和我的办公室邻居Steinn说话Sigurdsson [论文的第二位作者，也是宾夕法尼亚州立大学]关于我们是否可以找到比迄今为止发表的论文更合理的解释。“

Fox，Sigurdsson和他们的同事开始寻找其他探测器收集的数据中的类似事件。当他们遇到可能在IceCube数据中发生的向上事件时，他说，他意识到他可能会遇到一些真正改变物理变化的东西。

 

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IceCube实验的地面设施，位于南极洲近1英里（1.6公里）的冰层下。IceCube表明不存在幽灵般的中微子，但是一项新实验表明它们确实存在。

图片来源：IceCube Neutrino Observatory提供

“这才是真正让我前进，并以最严肃的态度看待ANITA事件，”他说，后来补充说，“这就是物理学家的生活。打破模型，设置新的约束[关于现实]，学习宇宙的事物我们不知道。“

正如Live Science先前报道的那样，实验性的高能粒子物理学在过去几年中一直处于停滞状态。2009年，在法国和瑞士边境完成17英里（27公里），价值100亿美元的大型强子对撞机（LHC）时，科学家们认为它将揭开超对称的神秘面纱 - 这是科学家怀疑的神秘理论类粒子可能存在于当前物理学之外，但从未检测到。根据超对称性，标准模型中的每个现有粒子都具有超对称伙伴。研究人员怀疑这些伙伴是否存在是因为已知颗粒的质量是不合理的 - 彼此不对称。

加州大学欧文分校的粒子物理学家Seyda Ipek表示，尽管SM在解释过多的现象方面效果非常好，但仍有很多障碍，他没有参与当前的研究。“例如，它无法解释暗物质的存在，[解释中微子质量中的数学古怪，或 宇宙物质 - 反物质的不对称性。”

相反，LHC在2012年确认了希格斯玻色子，这是标准模型的最终未检测部分。然后它停止检测任何其他重要或有趣的东西。研究人员开始质疑任何现有的物理实验是否能够检测到超对称粒子。

“我们需要新的想法，”伊利诺伊大学厄本那 - 香槟分校的理论物理学家Jessie Shelton在5月份告诉Live Science，与此同时福克斯首次对ANITA数据感兴趣。

现在，几位没有参与宾夕法尼亚州立大学报的科学家告诉Live Science，它提供了可靠的（如果不完整的）证据，表明新的东西确实已经到来。

“从一开始就很明显，如果ANITA异常事件是由于粒子已经传播到数千公里的地球，那么这些粒子很可能不是SM粒子，”Niels Bohr研究所的天体物理学家Mauricio Bustamante说。哥本哈根大学，他不是新论文的作者。

“今天出现的论文是第一次系统地计算出这些事件不太可能是由于SM中微子引起的，”他补充说。“他们的结果强烈反对SM的解释。”

“我认为这非常引人注目，”洛杉矶阿拉莫斯国家实验室的中微子物理学家比尔路易斯说，他没有参与这篇论文，并且几个月来一直在研究ANITA事件。

如果标准模型粒子产生这些异常，它们应该是中微子。研究人员知道，由于它们腐烂的粒子，并且因为没有其他标准模型粒子甚至会有一百万的机会通过地球进入它。

但路易斯说，这种能量的中微子不应该经常穿过地球，以便ANITA或IceCube能够探测到。这不是他们的工作方式。但是像ANITA和IceCube这样的中微子探测器并没有直接探测到中微子。相反，它们会在撞击地球大气层或南极冰层后检测到中微子腐烂的粒子。还有其他事件可以生成这些粒子，触发探测器。路易斯说，本文强烈建议这些事件必须是超对称的，尽管他补充说有必要提供更多数据。

福克斯和他的同事继续争辩说，这些粒子最有可能是一种理论上称为“stau sleptons”的超对称粒子。Stau睡眠是标准模型粒子的超对称版本，称为tau lepton。“S”代表“超对称”（真的）。

路易斯说，在这个阶段，他认为特异性水平“有点延伸”。

他说，作者提出了一个强有力的统计案例，即传统粒子不会以这种方式穿过地球，但是还没有足够的数据可以确定。而且肯定还不够，他们可以明确地弄清楚粒子是什么造成了这次旅行。

福克斯没有提出异议。

“作为一名观察员，我无法知道这是一个停滞不前，”他说。“从我的角度来看，我一直在四处寻找发现宇宙的新事物，我发现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献搜索，看看是否有人曾想过会发生这种情况。然后，如果我们在文献中找到论文，包括14年前的一篇论文，就像这种现象一样预测某些东西，那么这对我来说非常重要。“

他和他的同事们确实发现了一系列来自理论家的论文，他们预测在中微子天文台中，stau睡眠可能会像这样出现。福克斯说，因为那些论文都是在ANITA异常之前编写的，这对他来说强烈地表明那些理论家正在做些什么。

但他说，在这方面仍有很多不确定因素。现在，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非常弱，否则它将永远不会幸存下来通过行星的密集质量。 

下一步是什么

每个与Live Science交谈的物理学家都同意研究人员需要收集更多数据来验证ANITA和IceCube是否已经破解超对称性。福克斯说，有可能当IceCube研究人员深入研究他们的数据档案时，他们会发现更多类似的事件，这些事件以前没有引起注意。路易斯和布斯塔曼特都表示

“我们要确定这些事件不是由于未知的未知因素 - 比如南极冰的未映射属性 - 我们希望其他仪器也可以检测到这类事件，”Bustamante说。

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一支队伍准备ANITA飞越南极冰面。

图片来源：NASA

从长远来看，如果这些结果得到证实，并且粒子导致它们的细节被确定下来，一些研究人员表示，ANITA异常可能会在大型强子对撞机中解锁更多的新物理。

“任何观察非SM粒子都会改变游戏规则，因为它会告诉我们在SM之后应该采取哪条路径，”Ipek说。“他们声称产生睡眠信号的[超对称]粒子类型很难在大型强子对撞机上产生和检测。”

“因此，如果可以通过其他类型的实验观察它们，那将非常有趣。当然，如果这是真的，那么我们将期望在LHC上观察到其他[超对称]粒子的阶梯，这将是一个补充对索赔的测试。“

换句话说，ANITA异常可以为科学家提供正确调整LHC以解锁更多超对称所必需的关键信息。那些实验甚至可能会对暗物质做出解释  。

现在，福克斯说，他只是渴望获得更多数据。