奇異的粒子繼續飛出南極洲的冰，他們可能會破壞現代物理學
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一支飛行成功後，一支團隊恢復了NASA的南極脈沖瞬態天線（ANITA）。
圖片來源：澳大利亞南極分部
在南極洲的冰凍地面上出現了一些神秘的東西，它可能會破壞我們所知道的物理學。
物理學家不知道究竟是什麽。但他們確實知道它是某種宇宙射線 - 一種高能粒子，它在太空中沖擊地球，然後再次退出。但物理學家所知道的粒子 - 粒子的集合構成科學家稱之為粒子物理學的標準模型（SM） - 不應該這樣做。當然，有低能量的中微子可以穿過數英裏的巖石不受影響。但高能中微子以及其他高能粒子具有“大截面”。這意味著它們幾乎總是在拉入地球之後很快就會崩潰，並且永遠不會從另一邊出來。
然而，自2016年3月以來，研究人員一直困惑 於南極洲的兩次事件，宇宙射線從地球爆發，並被美國宇航局的南極脈沖瞬態天線（ANITA）探測到 - 這是一種漂浮在南部大陸上的氣球天線。
ANITA設計用於捕捉來自外太空的宇宙射線，因此當儀器檢測到似乎從地球爆炸而不是從太空縮小的粒子時，高能中微子群體興奮地嗡嗡作響。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是由以前從未見過的粒子構成的。
從那時起，物理學家就這些“向上走向”的宇宙射線提出了各種解釋，從無菌的中微子 （很少進入物質的中微子）到“ 地球內部的非典型暗物質分布 ”，引用了神秘的物質形態。
所有的解釋都很有趣，並且表明ANITA可能已經檢測到標準模型中未考慮的粒子。但沒有一個解釋最終證明了一些更普通的東西不能在ANITA引起信號。
今天 （9月26日）上傳到預印本服務器arXiv 的新論文改變了這一點。其中，來自賓夕法尼亞州立大學的一組天體物理學家表示，與兩次ANITA事件中發現的高能粒子相比，存在更多向上的高能粒子。三次，他們寫道，IceCube （另一個更大的中微子天文臺在南極洲雖然還沒有人將這些事件與ANITA的神秘事物聯系起來，但他們發現了類似的粒子。並且，結合IceCube和ANITA數據集，賓夕法尼亞州立大學的研究人員計算出，無論粒子是從地球上爆發出來的，它都有不到三分之一的機會成為標準模型的一部分。（在技術，統計方面，他們的結果具有5.8和7.0西格瑪的置信度，這取決於他們正在查看的計算。）
打破物理學
新報紙的第一作者德裏克福克斯說，他在2018年5月首次發現ANITA事件，其中一篇早期的文章試圖解釋它們。
“我當時想，‘這個模型沒有多大意義，‘”福克斯告訴Live Science，“但[ANITA]的結果非常有趣，所以我開始檢查它。我開始和我的辦公室鄰居Steinn說話Sigurdsson [論文的第二位作者，也是賓夕法尼亞州立大學]關於我們是否可以找到比迄今為止發表的論文更合理的解釋。“
Fox，Sigurdsson和他們的同事開始尋找其他探測器收集的數據中的類似事件。當他們遇到可能在IceCube數據中發生的向上事件時，他說，他意識到他可能會遇到一些真正改變物理變化的東西。
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IceCube實驗的地面設施，位於南極洲近1英裏（1.6公裏）的冰層下。IceCube表明不存在幽靈般的中微子，但是一項新實驗表明它們確實存在。
圖片來源：IceCube Neutrino Observatory提供
“這才是真正讓我前進，並以最嚴肅的態度看待ANITA事件，”他說，後來補充說，“這就是物理學家的生活。打破模型，設置新的約束[關於現實]，學習宇宙的事物我們不知道。“
正如Live Science先前報道的那樣，實驗性的高能粒子物理學在過去幾年中一直處於停滯狀態。2009年，在法國和瑞士邊境完成17英裏（27公裏），價值100億美元的大型強子對撞機（LHC）時，科學家們認為它將揭開超對稱的神秘面紗 - 這是科學家懷疑的神秘理論類粒子可能存在於當前物理學之外，但從未檢測到。根據超對稱性，標準模型中的每個現有粒子都具有超對稱夥伴。研究人員懷疑這些夥伴是否存在是因為已知顆粒的質量是不合理的 - 彼此不對稱。
加州大學歐文分校的粒子物理學家Seyda Ipek表示，盡管SM在解釋過多的現象方面效果非常好，但仍有很多障礙，他沒有參與當前的研究。“例如，它無法解釋暗物質的存在，[解釋中微子質量中的數學古怪，或 宇宙物質 - 反物質的不對稱性。”
相反，LHC在2012年確認了希格斯玻色子，這是標準模型的最終未檢測部分。然後它停止檢測任何其他重要或有趣的東西。研究人員開始質疑任何現有的物理實驗是否能夠檢測到超對稱粒子。
“我們需要新的想法，”伊利諾伊大學厄本那 - 香檳分校的理論物理學家Jessie Shelton在5月份告訴Live Science，與此同時福克斯首次對ANITA數據感興趣。
現在，幾位沒有參與賓夕法尼亞州立大學報的科學家告訴Live Science，它提供了可靠的（如果不完整的）證據，表明新的東西確實已經到來。
“從一開始就很明顯，如果ANITA異常事件是由於粒子已經傳播到數千公裏的地球，那麽這些粒子很可能不是SM粒子，”Niels Bohr研究所的天體物理學家Mauricio Bustamante說。哥本哈根大學，他不是新論文的作者。
“今天出現的論文是第一次系統地計算出這些事件不太可能是由於SM中微子引起的，”他補充說。“他們的結果強烈反對SM的解釋。”
“我認為這非常引人註目，”洛杉磯阿拉莫斯國家實驗室的中微子物理學家比爾路易斯說，他沒有參與這篇論文，並且幾個月來一直在研究ANITA事件。
如果標準模型粒子產生這些異常，它們應該是中微子。研究人員知道，由於它們腐爛的粒子，並且因為沒有其他標準模型粒子甚至會有一百萬的機會通過地球進入它。
但路易斯說，這種能量的中微子不應該經常穿過地球，以便ANITA或IceCube能夠探測到。這不是他們的工作方式。但是像ANITA和IceCube這樣的中微子探測器並沒有直接探測到中微子。相反，它們會在撞擊地球大氣層或南極冰層後檢測到中微子腐爛的粒子。還有其他事件可以生成這些粒子，觸發探測器。路易斯說，本文強烈建議這些事件必須是超對稱的，盡管他補充說有必要提供更多數據。
福克斯和他的同事繼續爭辯說，這些粒子最有可能是一種理論上稱為“stau sleptons”的超對稱粒子。Stau睡眠是標準模型粒子的超對稱版本，稱為tau lepton。“S”代表“超對稱”（真的）。
路易斯說，在這個階段，他認為特異性水平“有點延伸”。
他說，作者提出了一個強有力的統計案例，即傳統粒子不會以這種方式穿過地球，但是還沒有足夠的數據可以確定。而且肯定還不夠，他們可以明確地弄清楚粒子是什麽造成了這次旅行。
福克斯沒有提出異議。
“作為一名觀察員，我無法知道這是一個停滯不前，”他說。“從我的角度來看，我一直在四處尋找發現宇宙的新事物，我發現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獻搜索，看看是否有人曾想過會發生這種情況。然後，如果我們在文獻中找到論文，包括14年前的一篇論文，就像這種現象一樣預測某些東西，那麽這對我來說非常重要。“
他和他的同事們確實發現了一系列來自理論家的論文，他們預測在中微子天文臺中，stau睡眠可能會像這樣出現。福克斯說，因為那些論文都是在ANITA異常之前編寫的，這對他來說強烈地表明那些理論家正在做些什麽。
但他說，在這方面仍有很多不確定因素。現在，研究人員只知道無論這個粒子是什麽，它與其他粒子的相互作用非常弱，否則它將永遠不會幸存下來通過行星的密集質量。
下一步是什麽
每個與Live Science交談的物理學家都同意研究人員需要收集更多數據來驗證ANITA和IceCube是否已經破解超對稱性。福克斯說，有可能當IceCube研究人員深入研究他們的數據檔案時，他們會發現更多類似的事件，這些事件以前沒有引起註意。路易斯和布斯塔曼特都表示
“我們要確定這些事件不是由於未知的未知因素 - 比如南極冰的未映射屬性 - 我們希望其他儀器也可以檢測到這類事件，”Bustamante說。
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一支隊伍準備ANITA飛越南極冰面。
圖片來源：NASA
從長遠來看，如果這些結果得到證實，並且粒子導致它們的細節被確定下來，一些研究人員表示，ANITA異常可能會在大型強子對撞機中解鎖更多的新物理。
“任何觀察非SM粒子都會改變遊戲規則，因為它會告訴我們在SM之後應該采取哪條路徑，”Ipek說。“他們聲稱產生睡眠信號的[超對稱]粒子類型很難在大型強子對撞機上產生和檢測。”
“因此，如果可以通過其他類型的實驗觀察它們，那將非常有趣。當然，如果這是真的，那麽我們將期望在LHC上觀察到其他[超對稱]粒子的階梯，這將是一個補充對索賠的測試。“
換句話說，ANITA異常可以為科學家提供正確調整LHC以解鎖更多超對稱所必需的關鍵信息。那些實驗甚至可能會對暗物質做出解釋 。
現在，福克斯說，他只是渴望獲得更多數據。
奇異的粒子繼續飛出南極洲的冰，他們可能會破壞現代物理學