南极洲冰冻的地面下有神秘的东西正在升起，它可能会颠覆我们已知的物理学。
物理学家们并不确切知道它是什么。但他们确实知道它是一种宇宙射线——一种高能粒子，它穿过太空，进入地球，然后又飞了出来。但是物理学家们所知道的粒子——构成科学家所称的粒子物理学标准模型 (SM)的粒子集合——不应该能够做到这一点。当然，有低能中微子可以不受影响地穿透数英里厚的岩石。但是高能中微子以及其他高能粒子具有“大横截面”。这意味着它们几乎总是在快速进入地球后不久就撞到某些东西，并且永远无法从另一侧出来。
然而，自2016 年 3 月以来，研究人员一直在研究两次发生在南极洲的事件，在这些事件中，宇宙射线确实从地球中爆发出来，并被美国国家航空航天局的南极脉冲瞬态天线 (ANITA) 探测到——这是一个漂浮在南极大陆上空的气球载天线。
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ANITA 旨在搜寻来自外太空的宇宙射线，因此当该仪器探测到似乎是从地球向上爆发而不是从太空向下飞驰的粒子时，高能中微子界一片沸腾。由于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由以前从未见过的粒子组成。
从那时起，物理学家们提出了各种各样的解释来解释这些“向上”的宇宙射线，从惰性中微子（几乎从不与物质碰撞的中微子）到“地球内部非典型的暗物质分布”，参考了不与光相互作用的神秘物质形式 [物理学中最大的 18 个未解之谜]
所有解释都很有趣，并表明 ANITA 可能探测到了一种标准模型中没有考虑到的粒子。但是，没有一个解释能够最终证明更普通的东西不可能引起 ANITA 的信号。
一篇新的论文今天（9 月 26 日）上传到预印本服务器 arXiv，改变了这种情况。在其中，来自宾夕法尼亚州立大学的一个天体物理学家团队表明，向上飞行的高能粒子比 ANITA 事件期间探测到的粒子更多。他们写道，冰立方（另一个更大的中微子天文台，位于南极洲）三次探测到类似的粒子，尽管没有人将这些事件与 ANITA 的谜团联系起来。而且，宾夕法尼亚州立大学的研究人员结合了冰立方和 ANITA 数据集，计算出无论是什么粒子从地球中爆发出来，它成为标准模型一部分的可能性都远低于 350 万分之一。（用技术统计术语来说，他们的结果具有 5.8 和 7.0 西格玛的置信度，具体取决于您查看的是他们的哪种计算。）
颠覆物理学
新论文的第一作者德里克·福克斯说，他第一次接触到 ANITA 事件是在 2018 年 5 月，在一篇早期试图解释这些事件的论文中。
福克斯告诉《生命科学》，“我想，‘嗯，这个模型没什么道理，’但 [ANITA] 的结果非常有趣，所以我开始查阅它。我开始与我的办公室邻居斯坦恩·西古德森 [论文的第二作者，也在宾夕法尼亚州立大学] 讨论，是否我们可以提出比迄今为止已发表的论文更合理的解释。”
福克斯、西古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遇到可能的向上事件时，他意识到自己可能遇到了真正改变物理学游戏规则的事情。[潜伏在地下的 5 种神秘粒子]
他说，“这真的让我开始行动，并以最严肃的态度看待 ANITA 事件，”他后来补充说，“这就是物理学家为之奋斗的。打破模型，设定新的 [对现实的] 约束，了解我们以前不了解的宇宙事物。”
正如《生命科学》此前报道的那样，实验性高能粒子物理学在过去几年中一直处于停滞状态。当 17 英里（27 公里）、耗资 100 亿美元的大型强子对撞机 (LHC) 于 2009 年在法国和瑞士边境建成时，科学家们认为它将解开超对称性之谜——神秘的理论粒子类别，科学家们怀疑它可能存在于当前物理学之外，但从未被探测到。根据超对称性，标准模型中的每个现有粒子都有一个超对称伙伴。研究人员怀疑这些伙伴的存在是因为已知粒子的质量不平衡——彼此不对称。
加州大学欧文分校的粒子物理学家赛达·伊佩克说：“尽管标准模型在解释大量现象方面非常有效，但它仍然存在许多缺陷。”她没有参与当前的研究。“例如，它不能解释暗物质的存在，[解释中微子质量中的数学怪异现象]，或者宇宙的物质-反物质不对称性。”
相反，LHC 证实了希格斯玻色子，即标准模型中最后一个未被探测到的部分，在 2012 年。然后它停止探测到任何其他重要或有趣的东西。研究人员开始质疑是否任何现有的物理实验都能探测到超对称粒子。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的理论物理学家杰西·谢尔顿在 5 月份告诉《生命科学》，大约在福克斯第一次对 ANITA 数据产生兴趣的同时，“我们需要新的想法。”
现在，几位未参与宾夕法尼亚州立大学论文的科学家告诉《生命科学》，它提供了可靠的（如果是不完整的）证据，表明确实有新的东西到来了。
哥本哈根尼尔斯玻尔研究所的天体物理学家毛里西奥·布斯塔曼特说：“从一开始就很清楚，如果 ANITA 的异常事件是由于穿过数千公里地球的粒子引起的，那么这些粒子很可能不是 SM 粒子。”他不是新论文的作者。
他补充说：“今天发表的论文是对这些事件是由 SM 中微子引起的可能性有多小进行的首次系统计算。”“他们的结果强烈反对 SM 解释。”
洛斯阿拉莫斯国家实验室的中微子物理学家比尔·路易斯说：“我认为这非常引人注目，”他没有参与该论文，并且已经关注 ANITA 事件的研究几个月了。
如果标准模型粒子创造了这些异常现象，它们应该是中微子。研究人员知道这一点，既是因为它们衰变成的粒子，也因为没有其他标准模型粒子有百万分之一的机会穿过地球。
路易斯说，但是这种能量的中微子不应该经常穿过地球，以至于 ANITA 或冰立方探测到。它们不是这样工作的。但是像 ANITA 和冰立方这样的中微子探测器不会直接探测中微子。相反，它们探测中微子撞击地球大气层或南极冰后衰变成的粒子。并且还有其他事件可以产生这些粒子，从而触发探测器。路易斯说，这篇论文强烈表明这些事件一定是超对称的，尽管他补充说还需要更多的数据。
福克斯和他的同事接着论证说，这些粒子最有可能是一种理论上的超对称粒子，称为“陶子超轻子”。陶子超轻子是标准模型粒子陶轻子的超对称版本。“S”代表“超对称”（真的）。[超粒子到中微子：宇宙中最酷的小粒子]
路易斯说，在这个阶段，他认为这种程度的特异性“有点牵强”。
他说，作者提出了一个强有力的统计案例，表明没有传统的粒子有可能以这种方式穿过地球，但还没有足够的数据来确定。当然，还没有足够的证据让他们能够明确地弄清楚是什么粒子完成了这次旅行。
福克斯没有反驳这一点。
他说：“作为一名观察者，我无法知道这是陶子超轻子。”“从我的角度来看，我四处搜寻，试图发现关于宇宙的新事物，我遇到了一些非常奇异的现象，然后和我的同事一起，我们做了一些文献检索，看看是否有人曾经认为这可能会发生。然后，如果我们找到文献中的论文，包括一篇 14 年前的论文，预测了类似这种现象的事情，那么这对我来说就具有非常高的权重。”
他和他的同事确实找到了一长串理论学家的论文，预测陶子超轻子可能会像这样出现在中微子天文台中。福克斯说，由于这些论文是在 ANITA 异常现象之前撰写的，因此这强烈地表明这些理论家发现了某些东西。
但他表示，这方面仍然存在很多不确定性。目前，研究人员只知道无论这种粒子是什么，它与其他粒子的相互作用都非常弱，否则它永远无法在地球稠密的物质中幸存下来。
下一步是什么
每位与《生命科学》交谈的物理学家都同意，研究人员需要收集更多数据来验证 ANITA 和冰立方是否破解了超对称性。福克斯说，冰立方研究人员有可能在挖掘他们的数据档案时，会发现更多以前未被注意到的类似事件。路易斯和布斯塔曼特都表示，美国国家航空航天局应该进行更多 ANITA 飞行，看看是否会出现类似的向上粒子。
布斯塔曼特说：“为了让我们确定这些事件不是由未知的未知因素引起的——例如，南极冰层未绘制的特性——我们希望其他仪器也能探测到这类事件。”
从长远来看，如果这些结果得到证实，并且导致这些结果的粒子的细节被确定下来，几位研究人员表示，ANITA 异常现象可能会在 LHC 中解锁更多新的物理学。
伊佩克说：“对非 SM 粒子的任何观察都将是一个游戏规则改变者，因为它将告诉我们应该在 SM 之后采取哪条道路。”“他们声称产生了信号的那种 [超对称] 粒子，超轻子，在 LHC 中很难产生和探测到。”
“因此，如果可以通过其他类型的实验观察到它们，那将非常有趣。当然，如果这是真的，那么我们将期望在 LHC 中观察到一系列其他 [超对称] 粒子，这将是对这些说法的补充测试。”
换句话说，ANITA 异常现象可以为科学家提供必要的关键信息，以正确调整 LHC，从而解锁更多的超对称性。这些实验甚至可能为暗物质提供解释。
福克斯说，现在，他只是渴望获得更多数据。
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