南极洲检测到神秘“幽灵粒子”来源无法解释 或导致新物理学诞生

图片来源：Martin Wolf, IceCube/NSF

当物理学家从宇宙中一个不太可能的方向检测到高能中微子信号时，自然而然地会去寻找一个强大的来源来解释它。

科学家们这些更活跃的“幽灵”粒子最可能的起源进行深入研究，现在却空手而归，这为更奇特的推测打开了大门，这些奇怪的信号背后可能隐藏着什么?

通过冰立方中微子搜寻实验7年来的数据，来自世界各地的一大群研究人员现在不得不承认，对这一发现的传统解释看起来相当站不住脚。

中微子是基本粒子标准模型中的类电子粒子。与电子不同，它们的质量小得出奇，而且不带电荷。

这种纤细的中性意味着中微子不愿意停下来与其他粒子交谈。在太阳内部深处的原子衰变，每秒钟都有大量的粒子穿过地球，只有一小部分粒子接近原子而引起明显的反应。

为了捕捉到中微子撞击冰冻水分子的罕见闪光瞬间，冰立方天文台使用了长串埋在南极冰层下的敏感光捕捉设备。

近十年来，它每天记录数百次闪光，建立了一个庞大的信息数据库，记录着中微子撞击地球的方向和能量。

但这不是唯一的行动。NASA的南极脉冲瞬变天线(ANITA)悬挂在一个氦气球上，从南极上空近40公里的高度捕捉到高能中微子撞击大气原子的迹象。

对于ANITA来说，现在还为时过早，但在过去几年里，它的头几次飞行已经成功地发现了一些高能粒子的迹象。奇怪的是，有两个信号不是来自天空，而是来自地球本身。

对于一个刚从太阳上“下凡”的懒惰的中微子来说，这并不奇怪。但在ANITA记录的这种能量下，中微子以高得多的速度与我们星球的原子结合，几乎没有受到任何影响的。

美国威斯康星大学麦迪逊分校的天体物理学家Alex Pizzuto说:“人们常说，中微子是‘难以捉摸的’或‘幽灵般的’粒子，因为它们具有非凡的能力，在穿过物质时不会撞到什么东西。”

“但在这些令人难以置信的能量下，中微子就像斗牛场上的公牛——它们更有可能与地球上的粒子相互作用。”

要找到一对“积极”的中微子，让它一路穿过地球，需要某种解释。

当然，它们可能只是非常罕见的例子的偶然发现。如此巧合并非不可能。但更有可能的是，探测到的粒子是作为一个巨大群体的一部分撞击地球的。

高能中微子往往是在宇宙射线和原子核的相互作用中产生的，然后再被宇宙深处的强磁场强力推动。

正因为如此，研究人员计算出了需要多少高能中微子才能有绝佳机会让ANITA发现它们，并从冰立方的数据进行挖掘，找出可能导致大量中微子产生的统计数据。

瑞士日内瓦大学的物理学家阿纳斯塔西娅·巴尔巴诺说:“这个过程使冰立方成为ANITA观测后续的一个出色工具，因为ANITA探测到的每一个异常事件，冰立方都应该探测到更多的异常事件。”

“在这种情况下，我们没有这么做。”

那么，现在该怎么办呢?

首先，值得记住的是，即使是资金最充足的专业实验也可能出错。

不到十年前，人们还对发现中微子比光速还快的可能性感到兴奋不已……这个发现经过了长时间的测试，才被发现极有可能是个错误。

这些新发现目前可以在预印本网站arXiv.org上找到，并正提交给《天体物理学杂志》(Astrophysical Journal)审查。

但是，即使是现在，我们仍然可以考虑一些诱人的可能性，甚至敢于想象现有物理学之外的解释。

“我们的分析排除了对ANITA异常事件的唯一标准模型天体物理学解释。”Pizzuto说。

“所以现在，如果这些事件是真实的，而不只是出于探测器的古怪，那么它们可能指向标准模型之外的物理学。”

一种可能性是，宇宙加速器以极短的时间尺度释放出大量中微子，以至于科学家们无法用当前的技术捕捉到它们。

如果我们想得再大胆疯狂点，我们甚至可以思考是不是暗物质发挥了作用，或者设想一种新的粒子，它的作用类似于高能中微子，但以其他方式产生。

这其中的回答有许许多多，现在我们对中微子秘密的探索仍处于初级阶段。有这么多东西要学，很多希望寄托在中微子上，它能让我们深入了解可能导致新物理学诞生的重大奥秘。

冰立方和ANITA无疑会寻找更多这种令人困惑的高能“幽灵粒子”，以期突破物理学的极限。

预印本论文可以在arXiv.org上找到。

原文来源：https://www.sciencealert.com/standard-physics-has-been-ruled-out-for-neutrino-like-particles-slipping-through-our-planet