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奇异的粒子不断从南极洲的冰中飞出,它们可能会粉碎现代物理学

一个小组在成功飞行后恢复了美国宇航局的南极脉冲瞬变天线(ANITA)。(图片版权所有)澳大利亚南极分部

南极的冻土上出现了神秘的东西,据我们所知,它可能会破坏物理学。

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,它穿过太空,进入地球,然后再次返回。但是,粒子物理学家知道的——构成科学家称之为粒子物理学标准模型(SM)的粒子 ... ——不应该做到这一点。当然,有低能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,以及其他高能粒子,都有“大截面”。这意味着它们几乎总是在进入地球后很快就会撞到某个东西,而永远无法从另一边出来。

,然而,自2016年3月以来,研究人员一直对南极洲的两个事件感到困惑,在这两个事件中,宇宙射线确实是从地球上爆发出来的,并被美国宇航局的南极脉冲瞬变天线(ANITA)探测到,ANITA是一个漂浮在南极洲上空的气球载天线。

ANITA被设计用来捕捉来自外太空的宇宙射线,因此,当仪器探测到似乎是从地球上爆炸而不是从太空缩小的粒子时,高能中微子群体兴奋得嗡嗡作响。因为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。

从那以后,物理学家们对这些“向上”的宇宙射线提出了各种解释,从不育的中微子(很少撞击到物质中的中微子)到“地球内部不典型的暗物质分布”,提到与光不相互作用的神秘物质形式[物理学中18个最大的未解之谜]

,所有的解释都很有趣,并暗示安妮塔可能已经探测到标准模型中未考虑的粒子。但这些解释都没有确凿地证明,更普通的东西不可能引起安妮塔的信号。

今天(9月26日)上传到预印本服务器arXiv的一篇新论文改变了这一点。在这本书中,来自宾夕法尼亚州立大学的一个天体物理学家团队显示,与两次安妮塔事件中所探测到的粒子相比,有更多向上的高能粒子。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安妮塔的神秘联系起来。而且,结合冰立方和安妮塔的数据集,宾夕法尼亚州立大学的研究人员计算出,无论是什么粒子从地球上爆发出来,它成为标准模型一部分的几率都远远小于350万分之一。(在技术和统计方面,他们的结果有5.8和7.0西格玛的可信度,这取决于你在看他们的计算结果。)

打破物理学

德里克福克斯,新论文的主要作者,说他第一次遇到安妮塔事件是在2018年5月,在早先的一篇试图解释它们的论文中,

“我想,‘这个模型没有多大意义,’”福克斯告诉《生活科学》,“但是(安妮塔)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Steinn Sigursson(论文的第二作者,同时也是宾夕法尼亚州立大学的)讨论是否我们可以想出一些比目前发表的论文更合理的解释,西格德森和他们的同事开始在其他探测器收集的数据中寻找类似的事件。他说,当他们在冰立方数据中发现可能向上发展的事件时,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事情。[5个隐藏在地下的神秘粒子]

冰立方实验的表面设施,即loc称为“stau-slepton”的粒子。stau-slepton是标准模型粒子tau-lepton的超对称版本。“S”代表“超对称”(真的)。[中微子的火花:宇宙中最冷的小粒子]

路易斯说,在这个阶段,他认为特异性的水平是“有一点延伸。”

的作者提出了一个强有力的统计案例,他说,没有任何常规粒子可能以这种方式穿越地球,但目前还没有足够的数据来确定。当然,他们还不足以确定是什么粒子造成了这次旅行。

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,试图发现宇宙中的新事物,我发现了一些非常奇怪的现象,然后和我的同事们一起,我们做了一个小的文献搜索,看看是否有人认为这可能发生。如果我们在文献中找到论文,包括14年前的一篇,预测类似这种现象的论文,那我就非常重视了。

他和他的同事们确实发现了一长串理论学者的论文,他们预测在中微子观测台上可能会出现这样的情况。福克斯说,因为这些论文是在安妮塔反常现象之前写的,这强烈地向他暗示,那些理论家正在研究一些东西。

,但在这方面仍有很多不确定性,他说。现在,研究人员只知道不管这个粒子是什么,它与其他粒子的相互作用非常微弱,否则它将永远无法在穿越行星致密物质的旅程中幸存下来。

接下来是什么

每一位与现场科学对话的物理学家都同意,研究人员需要收集更多的数据来验证安妮塔和冰立方已经破解了超对称性。福克斯说,有可能,当冰立方的研究人员挖掘他们的数据档案时,他们会发现更多类似的事件,而这些事件之前并没有被注意到。路易斯和布斯塔曼特都说,美国宇航局应该进行更多的安妮塔飞行,看看是否会出现类似的向上运动的粒子。

让我们确信这些事件不是由于未知的未知因素——比如说,南极冰的未映射特性——我们希望其他仪器也能探测到这类事件,布斯塔曼特说:

一个小组准备安妮塔飞越南极冰层。(美国国家航空航天局)

长期以来,如果这些结果得到证实,并确定了导致这些结果的粒子的细节,一些研究人员说,安尼塔异常可能会在大型强子对撞机上开启更多新的物理学。

“任何非SM粒子的观测都将是一个游戏规则的改变者,因为它将告诉我们哪个路径“我们应该追上山猫,”伊佩克说他们声称产生了slepton信号的超对称粒子类型,在大型强子对撞机上很难产生和探测到。

,因此,如果它们能被其他类型的实验观测到,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上观察到其他[超对称]粒子的阶梯,这将是对这些主张的补充测试。

换句话说,安妮塔异常可以为科学家提供适当调整大型强子对撞机以开启更多超对称性所必需的关键信息。这些实验甚至可能为暗物质找到一个解释。

现在,福克斯说,他只是渴望更多的数据。

最初发表在《生命科学》杂志上。

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