南極洲冰凍的地面下有神秘的東西正在升起，它可能會顛覆我們已知的物理學。
物理學家們並不確切知道它是什麼。但他們確實知道它是一種宇宙射線——一種高能粒子，它穿過太空，進入地球，然後又飛了出來。但是物理學家們所知道的粒子——構成科學家所稱的粒子物理學標準模型 (SM)的粒子集合——不應該能夠做到這一點。當然，有低能中微子可以不受影響地穿透數英里厚的岩石。但是高能中微子以及其他高能粒子具有“大橫截面”。這意味著它們幾乎總是在快速進入地球后不久就撞到某些東西，並且永遠無法從另一側出來。
然而，自2016 年 3 月以來，研究人員一直在研究兩次發生在南極洲的事件，在這些事件中，宇宙射線確實從地球中爆發出來，並被美國國家航空航天局的南極脈衝瞬態天線 (ANITA) 探測到——這是一個漂浮在南極大陸上空的氣球載天線。
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ANITA 旨在搜尋來自外太空的宇宙射線，因此當該儀器探測到似乎是從地球向上爆發而不是從太空向下飛馳的粒子時，高能中微子界一片沸騰。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以前從未見過的粒子組成。
從那時起，物理學家們提出了各種各樣的解釋來解釋這些“向上”的宇宙射線，從惰性中微子（幾乎從不與物質碰撞的中微子）到“地球內部非典型的暗物質分佈”，參考了不與光相互作用的神秘物質形式 [物理學中最大的 18 個未解之謎]
所有解釋都很有趣，並表明 ANITA 可能探測到了一種標準模型中沒有考慮到的粒子。但是，沒有一個解釋能夠最終證明更普通的東西不可能引起 ANITA 的訊號。
一篇新的論文今天（9 月 26 日）上傳到預印本伺服器 arXiv，改變了這種情況。在其中，來自賓夕法尼亞州立大學的一個天體物理學家團隊表明，向上飛行的高能粒子比 ANITA 事件期間探測到的粒子更多。他們寫道，冰立方（另一個更大的中微子天文臺，位於南極洲）三次探測到類似的粒子，儘管沒有人將這些事件與 ANITA 的謎團聯絡起來。而且，賓夕法尼亞州立大學的研究人員結合了冰立方和 ANITA 資料集，計算出無論是什麼粒子從地球中爆發出來，它成為標準模型一部分的可能性都遠低於 350 萬分之一。（用技術統計術語來說，他們的結果具有 5.8 和 7.0 西格瑪的置信度，具體取決於您檢視的是他們的哪種計算。）
顛覆物理學
新論文的第一作者德里克·福克斯說，他第一次接觸到 ANITA 事件是在 2018 年 5 月，在一篇早期試圖解釋這些事件的論文中。
福克斯告訴《生命科學》，“我想，‘嗯，這個模型沒什麼道理，’但 [ANITA] 的結果非常有趣，所以我開始查閱它。我開始與我的辦公室鄰居斯坦恩·西古德森 [論文的第二作者，也在賓夕法尼亞州立大學] 討論，是否我們可以提出比迄今為止已發表的論文更合理的解釋。”
福克斯、西古德森和他們的同事開始在其他探測器收集的資料中尋找類似的事件。他說，當他們在冰立方資料中遇到可能的向上事件時，他意識到自己可能遇到了真正改變物理學遊戲規則的事情。[潛伏在地下的 5 種神秘粒子]
他說，“這真的讓我開始行動，並以最嚴肅的態度看待 ANITA 事件，”他後來補充說，“這就是物理學家為之奮鬥的。打破模型，設定新的 [對現實的] 約束，瞭解我們以前不瞭解的宇宙事物。”
正如《生命科學》此前報道的那樣，實驗性高能粒子物理學在過去幾年中一直處於停滯狀態。當 17 英里（27 公里）、耗資 100 億美元的大型強子對撞機 (LHC) 於 2009 年在法國和瑞士邊境建成時，科學家們認為它將解開超對稱性之謎——神秘的理論粒子類別，科學家們懷疑它可能存在於當前物理學之外，但從未被探測到。根據超對稱性，標準模型中的每個現有粒子都有一個超對稱夥伴。研究人員懷疑這些夥伴的存在是因為已知粒子的質量不平衡——彼此不對稱。
加州大學歐文分校的粒子物理學家賽達·伊佩克說：“儘管標準模型在解釋大量現象方面非常有效，但它仍然存在許多缺陷。”她沒有參與當前的研究。“例如，它不能解釋暗物質的存在，[解釋中微子質量中的數學怪異現象]，或者宇宙的物質-反物質不對稱性。”
相反，LHC 證實了希格斯玻色子，即標準模型中最後一個未被探測到的部分，在 2012 年。然後它停止探測到任何其他重要或有趣的東西。研究人員開始質疑是否任何現有的物理實驗都能探測到超對稱粒子。
伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的理論物理學家傑西·謝爾頓在 5 月份告訴《生命科學》，大約在福克斯第一次對 ANITA 資料產生興趣的同時，“我們需要新的想法。”
現在，幾位未參與賓夕法尼亞州立大學論文的科學家告訴《生命科學》，它提供了可靠的（如果是不完整的）證據，表明確實有新的東西到來了。
哥本哈根尼爾斯玻爾研究所的天體物理學家毛裡西奧·布斯塔曼特說：“從一開始就很清楚，如果 ANITA 的異常事件是由於穿過數千公里地球的粒子引起的，那麼這些粒子很可能不是 SM 粒子。”他不是新論文的作者。
他補充說：“今天發表的論文是對這些事件是由 SM 中微子引起的可能性有多小進行的首次系統計算。”“他們的結果強烈反對 SM 解釋。”
洛斯阿拉莫斯國家實驗室的中微子物理學家比爾·路易斯說：“我認為這非常引人注目，”他沒有參與該論文，並且已經關注 ANITA 事件的研究幾個月了。
如果標準模型粒子創造了這些異常現象，它們應該是中微子。研究人員知道這一點，既是因為它們衰變成的粒子，也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。
路易斯說，但是這種能量的中微子不應該經常穿過地球，以至於 ANITA 或冰立方探測到。它們不是這樣工作的。但是像 ANITA 和冰立方這樣的中微子探測器不會直接探測中微子。相反，它們探測中微子撞擊地球大氣層或南極冰後衰變成的粒子。並且還有其他事件可以產生這些粒子，從而觸發探測器。路易斯說，這篇論文強烈表明這些事件一定是超對稱的，儘管他補充說還需要更多的資料。
福克斯和他的同事接著論證說，這些粒子最有可能是一種理論上的超對稱粒子，稱為“陶子超輕子”。陶子超輕子是標準模型粒子陶輕子的超對稱版本。“S”代表“超對稱”（真的）。[超粒子到中微子：宇宙中最酷的小粒子]
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案例，表明沒有傳統的粒子有可能以這種方式穿過地球，但還沒有足夠的資料來確定。當然，還沒有足夠的證據讓他們能夠明確地弄清楚是什麼粒子完成了這次旅行。
福克斯沒有反駁這一點。
他說：“作為一名觀察者，我無法知道這是陶子超輕子。”“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異的現象，然後和我的同事一起，我們做了一些文獻檢索，看看是否有人曾經認為這可能會發生。然後，如果我們找到文獻中的論文，包括一篇 14 年前的論文，預測了類似這種現象的事情，那麼這對我來說就具有非常高的權重。”
他和他的同事確實找到了一長串理論學家的論文，預測陶子超輕子可能會像這樣出現在中微子天文臺中。福克斯說，由於這些論文是在 ANITA 異常現象之前撰寫的，因此這強烈地表明這些理論家發現了某些東西。
但他表示，這方面仍然存在很多不確定性。目前，研究人員只知道無論這種粒子是什麼，它與其他粒子的相互作用都非常弱，否則它永遠無法在地球稠密的物質中倖存下來。
下一步是什麼
每位與《生命科學》交談的物理學家都同意，研究人員需要收集更多資料來驗證 ANITA 和冰立方是否破解了超對稱性。福克斯說，冰立方研究人員有可能在挖掘他們的資料檔案時，會發現更多以前未被注意到的類似事件。路易斯和布斯塔曼特都表示，美國國家航空航天局應該進行更多 ANITA 飛行，看看是否會出現類似的向上粒子。
布斯塔曼特說：“為了讓我們確定這些事件不是由未知的未知因素引起的——例如，南極冰層未繪製的特性——我們希望其他儀器也能探測到這類事件。”
從長遠來看，如果這些結果得到證實，並且導致這些結果的粒子的細節被確定下來，幾位研究人員表示，ANITA 異常現象可能會在 LHC 中解鎖更多新的物理學。
伊佩克說：“對非 SM 粒子的任何觀察都將是一個遊戲規則改變者，因為它將告訴我們應該在 SM 之後採取哪條道路。”“他們聲稱產生了訊號的那種 [超對稱] 粒子，超輕子，在 LHC 中很難產生和探測到。”
“因此，如果可以透過其他型別的實驗觀察到它們，那將非常有趣。當然，如果這是真的，那麼我們將期望在 LHC 中觀察到一系列其他 [超對稱] 粒子，這將是對這些說法的補充測試。”
換句話說，ANITA 異常現象可以為科學家提供必要的關鍵資訊，以正確調整 LHC，從而解鎖更多的超對稱性。這些實驗甚至可能為暗物質提供解釋。
福克斯說，現在，他只是渴望獲得更多資料。
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