有一種神秘的東西從南極洲的凍土上冒出來，它可能超出我們所知道的物理學知識。
物理學家不知道它到底是什麼。
但他們確實知道這是某種宇宙射線——一種高能粒子，通過太空，進入地球，然後又返回。
但是物理學家所知道的粒子——組成科學家們稱之為粒子物理學標準模型(SM)的粒子集合——不應該能做到這一點。
當然，有一些低能量的中微子可以穿透數英里的岩石而不受影響。
但是高能中微子和其他高能粒子一樣都很大。
這意味著它們幾乎總是會在鑽進地球后不久就撞到什麼東西上，而且永遠也不會從另一邊撞出來。
然而，自2016年3月以來，研究人員一直在苦苦思索南極的兩起事件:宇宙射線確實從地球深處爆發出來，並被美國宇航局的南極脈衝瞬態天線(ANITA)探測到。這是一個由氣球攜帶著的在南部大陸漂移的天線。
(圖源：NASA)
ANITA的設計初衷是為了從外太空捕捉宇宙射線，因此當儀器探測到似乎是從地球上爆發的而不是從太空疾馳而來的粒子時，高能中微子社區興奮不已。
由於宇宙射線不應該這樣做，科學家們開始懷疑這些神秘的光束是否由從未見過的粒子組成。
從那以後，物理學家對這些“向上”的宇宙射線提出了各種各樣的解釋，從無菌的中微子(中微子很少撞擊到物質)到“地球內部非典型的暗物質分佈”，提到了這種不與光相互作用的神秘物質形式。
所有的解釋都很耐人尋味，並且認為ANITA可能已經發現了一個在標準模型中沒有解釋的粒子。
但沒有任何一種解釋最終證明，更普通的、已知的粒子不可能展示出ANITA觀察到的現象。
今天(9月26日)，一篇新的論文上傳到預印服務器arXiv上，改變了這一狀況。
在這篇文章中，一組來自賓夕法尼亞州立大學的天體物理學家指出，向上運動的高能粒子比ANITA事件中探測到的要多。
他們寫道，冰立方(南極洲另一個更大的中微子觀測站)曾三次探測到類似的粒子，儘管還沒有人將這些事件與ANITA的神秘事件聯繫起來。
結合冰立方(IceCube)和ANITA的數據，賓夕法尼亞州立大學的研究人員計算出，無論什麼粒子從地球中噴發出來，它成為標準模型的一部分的概率都不到350萬分之一。
(從技術、統計的角度來看，他們的結果是5.8和7.0西格瑪，這取決於你看的是哪種計算。)
打破現有物理規則
這篇新論文的主要作者德里克·福克斯(Derek Fox)說，他在2018年5月第一次遇到ANITA事件，是在早些時候試圖解釋這些事件的一篇論文中。
“我想，‘這個模型沒什麼意義，’”福克斯告訴Live Science，“但ANITA的結果非常有趣，所以我開始研究它。”
“我開始和我辦公室的鄰居斯廷·西格爾德森(Steinn Sigurdsson)討論，”他說，後者是論文的第二作者，也是賓夕法尼亞州立大學的教授。“我們是否能做出比迄今為止發表的論文更合理的解釋。”
Fox, Sigurdsson和他們的同事開始從其他探測器收集的數據中尋找類似的事件。
他說，當他們在冰立方(IceCube)數據中發現可能發生的粒子上升事件時，他意識到自己可能遇到了一些真正改變物理學遊戲規則的東西。
“這才是真正讓我前進的原因，我非常嚴肅地看待ANITA事件，”他說，後來又補充說，“這是物理學家們生活的目的。”
他說:“這是一項非常重要的任務。打破模型，(在現實中)設置新的約束條件，瞭解我們不知道的宇宙。”
正如Live Science先前報道的那樣，實驗高能粒子物理學在過去幾年一直處於停滯狀態。
長達17英里(27公里)、價值100億美元的大型強子對撞機(LHC)於2009年在法國和瑞士之間的邊界建成,科學家認為它將開啟超對稱性的奧秘——神秘、理論類的粒子,科學家懷疑當前物理學以外可能存在這種物質,但是從來沒有發現過。
根據超對稱原理，標準模型(SM)中存在的每個粒子都有一個超對稱夥伴。
研究人員懷疑這些伴侶的存在是因為已知粒子的質量不一致——彼此不對稱。
“儘管標準模型(SM)很好地解釋了許多現象，但它仍然有許多缺陷。”
加州大學歐文分校(UC Irvine)的粒子物理學家賽達·伊佩克(Seyda Ipek)沒有參與目前的研究。
“例如，它不能解釋暗物質的存在，(解釋)中微子質量的數學上的古怪之處，或者解釋宇宙中物質-反物質的不對稱。”
然而，大型強子對撞機在2012年證實了希格斯玻色子的存在。希格斯玻色子是標準模型中最後一個未被發現的部分。
然後它就不再檢測到任何重要或有趣的東西了。研究人員開始質疑現有的物理實驗是否能探測到超對稱粒子。
“我們需要新的想法。” 伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的理論物理學家傑西•謝爾頓(Jessie Shelton)今年5月在接受《生活科學》(Live Science)採訪時表示，大約在同一時間，福克斯開始對ANITA的數據感興趣。
現在，幾位沒有參與賓州州立大學論文的科學家告訴Live Science，它提供了確鑿(如果是不完整的)的證據，證明有新的東西真的到來了。
“從一開始就很明顯,如果ANITA異常事件是由於粒子已經穿過地球數千公里,那麼這些粒子很有可能不是標準模型中的粒子。” 哥本哈根大學尼爾斯波爾研究所(Niels Bohr Institute)的天體物理學家毛裡西奧·布斯塔曼特(Mauricio Bustamante)說。
他補充說:“今天發表的論文首次系統地計算了這些事件是由標準模型(SM)中的中微子引起的可能性有多大。”
“他們的結果強烈否定了標準模型的解釋。”
“我認為這非常令人信服。”洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)中微子物理學家比爾·路易斯(Bill Louis)說。
如果標準模型粒子產生了這些異常，它們應該是中微子。
研究人員知道，這既是因為它們衰變成的粒子，也是因為沒有其他標準模型粒子有百萬分之一的機會穿過地球。
但路易斯說，這種能量的中微子不應該經常穿過地球，讓ANITA或冰立方能夠探測得到。
這不是他們一般的特性。
但是像ANITA和冰立方這樣的中微子探測器不能直接探測中微子。相反，他們探測到中微子在撞擊地球大氣層或南極冰後衰變的粒子。
還有其他的事件可以產生這些粒子，觸發探測器。
路易斯說，這篇論文強烈暗示這些事件肯定是超對稱的，不過他補充說，還需要更多的數據。
福克斯和他的同事繼續論證這些粒子很可能是一種超對稱的理論粒子，叫做“stau sleptons”。
Stau sleptons是標準模型粒子中輕子(tau lepton)的超對稱版本。
S表示“超對稱”(真的)。
路易斯說，在這個階段，他認為這種程度的特異性“有點牽強”。
他說，作者提出了一個強有力的統計理由，即傳統粒子不可能以這種方式穿過地球，但目前還沒有足夠的數據可以確定。
當然，他們還不能確定到底是什麼粒子進行了這次旅行。福克斯對此沒有異議。
“作為一個觀察者，我不可能知道這是一個stau，”他說。
“從我的角度來看，我四處搜尋，試圖發現關於宇宙的新事物，我遇到了一些非常奇怪的現象，然後和我的同事們一起做了一些文學研究，看看是否有人曾認為這可能發生。”
“然後如果我們在文獻中發現一些論文，包括14年前的一篇論文預測了類似的現象，那麼我就會覺得這很重要。”
他和他的同事確實發現了一長串理論學家的論文，他們預測道，在中微子天文臺中可能會出現像這樣的stau sleptons。
福克斯說，因為這些論文是在ANITA異常事件之前寫的，這就有力地向他表明，那些理論家們也發現了些什麼。
但他表示，在這方面仍有很多不確定性。
目前，研究人員只知道無論這個粒子是什麼，它與其他粒子的相互作用都非常弱，否則它將永遠無法在這顆行星的密集質量中存活下來。
他說，甚至有這種可能，出現的粒子可能是暗物質的一種形式。
每一位接受Live Science採訪的物理學家都同意，研究人員需要收集更多的數據來證實ANITA和冰立方(IceCube)已經破獲了超對稱的秘密。
福克斯說，當冰立方的研究人員挖掘他們的數據檔案時，有可能會發現更多以前沒有被注意到的類似事件。
路易斯和巴斯塔曼特都表示，美國國家航空和宇宙航行局應該進行更多的ANITA飛行，以觀察類似的上升粒子是否會出現。
Bustamante說:“如果我們能確定這些事件不是由於未知的其它因素造成的，比如南極冰的未測繪性質，我們希望其他儀器也能探測到這類事件。”
從長期來看，如果這些結果得到證實，而導致這些結果的粒子的細節被確定下來，一些研究人員說，ANITA異常現象可能會給LHC帶來更多新的物理學發現。
“對於任何非標準模型的粒子的觀察都會改變遊戲規則，因為它會告訴我們在標準模型之後應該走哪條路，”Ipek說。
“他們所聲稱的(超對稱)粒子的類型，已經產生了sleptons的標誌，但這在大型強子對撞機裡很難產生和檢測到。”
“所以，如果它們能被其他類型的實驗觀察到，那就非常有趣了。當然，如果這是真的，那麼我們將期待在大型強子對撞機(LHC)上觀察到其他(超對稱)粒子的痕跡，這將是對上述說法的補充檢驗。”
換句話說，ANITA的異常現象可以為科學家提供必要的關鍵信息，以適當調整LHC，以解開更多的超對稱性之謎。
福克斯說，現在他只想要更多的數據。
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