從南極洲噴出的神祕粒子違背了物理學

研究人員準備啟動南極脈衝瞬變天線（ANITA）實驗，該實驗在南極上空的氣球上懸掛時，可以接收到看似不可能的粒子訊號。

我們最好的粒子物理模型正彷彿無法再隱瞞宇宙的祕密了一般，從縫隙中噴射出神祕物質。現在，伴隨著一系列發生在南極洲的奇怪事件，這些祕密的面紗也被逐漸揭開。

物理學界盛興的標準模型在數十年間被預想，而我們手頭已經出現了它在物理學中有問題的跡象。從實驗室資料中得出的結果指出，中微子的閃光處在標準模型描述的三種類型之外，並且在這樣一個充滿暗物質的宇宙中，標準模型裡似乎沒有粒子可以解釋這一現象。

但是最近引人注目的證據可能有一天會把這些模糊的資料聯絡在一起:自2016年以來，超高能粒子已經三次爆炸穿過南極洲的冰層，觸發了南極脈衝瞬態天線實驗中的探測器(ANITA)—— 一臺懸掛在美國宇航局的氣球上遠離冰凍的表面的機器。

據《生活科學》2018年的報導，除了那些事件不符合任何標準模型粒子的預期行為，後來在埋藏於南極洲地下的"冰立方"中微子觀測站所檢測到的幾種額外粒子也不符合該預期行為。這些粒子形似超高能中微子，但超高能中微子不能穿過地球。這說明目前存在一種人類尚未發現的粒子正在不斷地衝擊寒冷的南半球上空。

現在，在一篇新的論文中，在"冰立方"工作的物理學家組成的一個團隊已經開始嚴重懷疑對這些粒子標準模型的最後一種解釋，即宇宙加速器。這是一種蘊藏在太空中的巨大中微子槍，它能夠週期性地向地球發射高強度的中微子彈。一些位於南半球上空極度活躍的中微子槍可能已經向地球釋放了相當多的中微子，以至於人類已經能檢測到從南半球一角射出的粒子。但是，"冰立方"的研究人員尚未發現任何能證明此說法的證據，這意味著新物理學必須要解釋這些神祕粒子的存在。

想要理解上述現象的成因，了解為什麼這些神祕粒子相對於標準模型會如此混亂就顯得尤為重要。

中微子是人類目前已知最微弱的粒子，它們很難被檢測到，而且幾乎沒有品質。中微子一直以來都在穿過我們的地球。它們當中的絕大多數來自太陽；而極少一部分(如果有的話)會與質子，中子和組成我們身體以及我們腳下塵埃的電子發生碰撞。

但來自深空的超高能中微子與它們的低能中微子不同。它們比低能中微子罕見得多，它們有更寬的“截面”，這意味著當它們通過它們時，它們更有可能與其他粒子發生碰撞。超高能中微子使它在整個地球上完好無損的機率是如此之低，以至於你從來沒有預料到它的發生。這就是安妮塔探測器如此令人驚訝的原因：就好像這臺儀器兩次中了彩票，然後冰立方在它開始買票的時候又贏了幾次。

物理學家們知道他們需要處理多少彩票。許多超高能宇宙中微子來自宇宙射線與宇宙微波背景(CMB)的相互作用，這是宇宙大爆炸的微弱餘輝。每隔一段時間，這些宇宙射線就會以正確的方式與CMB相互作用，從而在地球上激發高能粒子。這就是所謂的“通量”，在整個天空中都是一樣的。ANITA和冰立方都已經測量了宇宙中微子通量在它們各自的感測器上是什麼樣子，它只是沒有產生足夠的高能中微子，以至於你可以期望在任何一個探測器上都能探測到一箇中微子飛出地球。

從事冰立方的日內瓦大學物理學家Anastasia Barbano說到“如果這次ANITA監測到屬於彌散的中微子物質的組成，那ANITA也能測量出以別的角度所發生的情況。”

但理論上來說，可能會有超高能中微粒子超出天空的通量，Barbano在《生命科學》中講到：那是中微槍或是宇宙加速器。

”如果此次不是超高能的宇宙射線和CMB相互作用所產生的中微子，那觀察到的中微子，不是某個宇宙加速器在一定時間內產生的，就是地球上一些未知的資源。”

她又說到，爆炸物、活躍的銀河原子核、伽馬射線的爆發、星爆星系、星系合併以及磁化和高速旋轉的中子星，都是這類加速器極好的組成。

正如我們了解的，宇宙中微子加速器確實存在於太空中。在2018年，冰立方將高能中微子追蹤到了耀變體（一個遙遠星系中心中，活躍的黑洞的強烈粒子噴射）。

Barbano補充到：“ANITA只能檢測到極高能中微子，如果向上飛行的粒子是標準模型中宇宙加速器增強的中微子（很可能是tau中微子），那麼束流應該帶有一列較低能量的粒子，而這可能會影響冰立方對低能量粒子的探測。

“我們從冰立方七年的資料中心尋找可以與ANITA（南極脈衝瞬態天線）探測出的角度和長度匹配的事件”，Barbano說道。這些事件是你預計能找到的，如果真的有一組顯著的宇宙中微子槍在向地球發射這些上行的粒子。然而，這樣的事件連一個都沒有出現過。

他們的研究結果沒有完全排除宇宙中存在加速器源。但它們確實“極大地限制”了可能性，將所有貌似最可信的涉及宇宙加速器的設想和很多不怎麼可信的都排除掉了。

“我們想要向公眾傳達的資訊是，無論你怎樣剖解它，一個標準模型天體物理學的解釋都起不了作用”，Barbano說道。

研究者們不知道下一步是什麼。無論是ANITA還是冰立方對於後續的探索都不是理想的探測器，Barbano說道，這讓研究者們幾乎沒有資料來構建他們關於這些神祕粒子的設想。這有點像嘗試用一小把拼圖碎片去弄明白整副巨大的拼圖到底是什麼。

現在，很多可能性看起來能符合那有限的資料，包括一個標準模型外的第四類“惰性”中微子以及一些暗物質的推定型別。這些解說的任何一個都將會是變革性的，但目前還沒有一個是受到強烈支援的。

Barbano表示：“我們必須要等待下一代中微子探測器”。

相關知識

中微子探測器是觀測中微子的實驗裝置。 由於中微子只參與弱相互作用，一般探測器需要建造得夠大，以接收到足夠數量的中微子訊號。 中微子探測器一般會選擇建造在地底深處，以遮蔽宇宙射線以及其它背景輻射。中微子天文學目前仍未成熟，現今已確認來自地球以外的訊號來源只有太陽和超新星SN 1987A。然而未來中微子觀測站將“為天文學家提供透析宇宙的展新視野”。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3.space-Rafi Letzter-我愛百香果，.，Value，Michael，關天然