ANITA天线探测到奇异粒子从南极飞出,这是否会打破我们所知的粒子

一些神秘的东西,从南极这片冰封大陆的地下射出。没有人知道这些东西是什么,但它们有可能会打破我们所知的粒子物理学体系。

这些神秘的东西,是由NASA设在南极的ANITA天线探测到的。ANITA的全称是“南极瞬态脉冲天线”,由氦气球搭载,工作在南极上空35000米的高度,设计用来捕捉来自外太空的高能中微子。

ANITA天线探测到奇异粒子从南极飞出,这是否会打破我们所知的粒子

NASA的ANITA天线,在经过了一次成功的飞行观测之后,降落在南极冰原之上被科学家回收。

茫茫太空,有无数高能粒子在横冲直接,被科学家称为宇宙线。每时每刻,数不清的宇宙线会从四面八方撞向地球,自上而下闯入我们的大气层。幸好,地球大气层能够拦截大多数宇宙线,给生活在地面的我们提供很好的防护。

然而,自2016年3月以来,ANITA天线已经检测到了两起异常事件。异常之处在于,这两起事件中,ANITA检测到的粒子并非自上而下来自太空,而是自下而上从地球内部射出来的。这令研究人员困惑不已。

这些粒子具体是什么,物理学家并不清楚。他们只知道,这应该是宇宙线中的某种粒子,只不过是从地球的另外一侧撞进来,又从这一边穿透出去了。问题在于,物理学家所知的粒子,也就是粒子物理标准模型包含的全部粒子,都应该做不到这一点才对。

已知的基本粒子当中,确实有不费吹灰之力就能穿透整个地球的,比如能量较低的中微子。但ANITA想要探测的高能中微子,以及其他的高能粒子,都没有这样的能力。用科学家的术语来说,高能粒子拥有“较大的截面”。这意味着,它们撞入地球内部之后,几乎总是会很快撞上其他东西,基本上不太可能从地球的另一边穿透出来。

然而,ANITA却检测到了从地球射出去的高能粒子,而且还不止一起。普通的宇宙线似乎不太可能做到这一点。于是,一种莫名的兴奋开始在研究高能中微子的学术圈里暗自涌动。科学家开始猜测,这些神秘的异常事件,会不会由此前从未见过的粒子产生。

登顶望远,四顾茫然

这样的莫名兴奋是可以理解的,因为过去几年来,高能粒子领域的实验物理学一直处于停滞状态。

2009年,当价值100亿美元、直径27千米的大型强子对撞机(LHC)在法国和瑞士边界完工时,科学家曾经满怀期待,以为它将就此补上粒子物理标准模型缺失的最后一环,并将揭开标准模型之外新物理学的神秘面纱。

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大型强子对撞机的示意图,这是目前人类制造的能级最高的对撞机,曾被科学家寄予厚望,期待它能够发现现有物理学体系的新粒子。

粒子物理标准模型,可以说是物理学体系中最成功的理论之一,不只精确描述了引力以外的全部3种基本作用力,还精确预言了构成物质的全部61种基本粒子。在当时,除了最后的希格斯玻色子尚未被人发现,其他60种粒子都得到了实验观测的证实。

但物理学家坚信,标准模型并非全部,在它之外一定还有新的物理学理论,比如超对称。这一假说预言,在标准模型之外,还存在一大类神秘的粒子,却从来没有被检测到过。根据超对称理论,标准模型中的每一个粒子都有一个超对称伙伴与之对应。科学家之所以怀疑存在这些伙伴粒子,是因为已知粒子的质量看起来不太合理,彼此并不对称。

“虽然粒子物理标准模型能够极好地解释太多的现象,但它仍有不少缺憾。”美国加利福尼亚大学欧文分校的粒子物理学家赛达‧伊佩克(Seyda Ipek)举例说,“它无法解释暗物质的存在,无法解释中微子的质量,也无法解释宇宙中物质和反物质为什么会不对称。”

到了2012年,被寄予厚望的大型强子对撞机果然确认了希格斯玻色子的存在,为标准模型填上了此前未经证实的最后一块拼图。这一发现,不仅让希格斯机制的提出者拿到了诺贝尔物理学奖,还让标准模型的成功达到了前所未有的高度。

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预言了希格斯玻色子的彼得‧希格斯本人,分享了2013年的诺贝尔物理学奖。

此时的物理学家,发现自己已经登上了粒子物理标准模型的顶峰,是时候在这里登高望远,寻找下一座山峰在什么方向了。

然而接下来,大型强子对撞机再也没有检测到任何重要或者有趣的东西。耗费巨资建成这台超大型实验设备,在补完了已知的标准模型之后,却拒绝给物理学家指明新物理学所在的方向。研究人员甚至开始怀疑,现有的物理学实验到底能否检测到超对称粒子。

就在物理学家苦苦找不到突破方向的时候,ANITA在遥远的南极检测到了异常事件,看起来不太可能由普通粒子产生。这让他们如何能够不兴奋?

异常事件,撬开大门

从ANITA检测到异常事件时起,物理学家就提出了各式各样的理论,来解释这些向上射出的宇宙线。有人猜测,这有可能是惰性中微子,一种几乎从来不跟物质粒子打交道的中微子。也有人猜测,这会不会是“分布在地球内部的非典型暗物质”。

这些解释都很有趣,也纷纷暗示ANITA可能检测到了标准模型中并不包含的粒子。然而话说回来,虽然“基本上不太可能”,但普通粒子会不会仍有一线机会产生出ANITA探测到的异常事件呢?没有哪种解释能够将这种可能性彻底排除,毕竟异常事件一共也只有区区两起。

而现在,情况已经发生了变化。

9月26日,美国宾夕法尼亚州立大学德里克‧福克斯(Derek Fox)带领的一组天体物理学家,在arXiv预印本网站上传了一篇新论文。他们在论文中表示,除了ANITA探测到的那两起事件,他们还找到了更多从地球内部射出来的高能粒子事件——冰立方(IceCube)就有3次检测到了类似的粒子,只不过以前没有人把它们跟ANITA异常事件联系起来。

ANITA天线探测到奇异粒子从南极飞出,这是否会打破我们所知的粒子

冰立方观测站的地面设施,真正的冰立方位于冰面之下超过1000米的深处,用于探测来自宇宙的极高能中微子。

冰立方观测站同样设在南极,是一座大型的中微子观测站。与ANITA天线用气球悬吊于高空不同,冰立方架设在超过1000米深的南极冰层之下,由数千个探测器构成,分布范围超过1立方千米。它的探测目标是来自宇宙的极高能中微子。

将冰立方的3起事件与ANITA的2起事件结合在一起,宾夕法尼亚州立大学的这些研究人员计算出,不管是什么粒子从地球内部穿透出来,它是标准模型粒子的可能性都远低于1/3500000。

用统计学术语来说,他们的结果具有5.8 σ和7.0 σ的置信度,具体取决于不同的计算过程。相比之下,当初大型强子对撞机宣布发现希格斯玻色子时,实验数据统计结果的置信度也才刚刚达到5.0 σ。

换句话说,这篇论文事实上洗清了普通粒子的嫌疑,认定穿透地球的那些粒子超出了现有物理学的框架之外。

非正式同行评论

这篇论文还没有经过同行评议,尚未被学术期刊接收发表。不过,几位没有参与那篇论文的科学家评论说,这项研究提供了可靠(但可能并不完整)的证据,表明新的东西确实已经出现。

“从一开始就很明显,如果ANITA异常事件由粒子穿透整个地球而产生,那这些粒子极有可能不是标准模型粒子。”丹麦哥本哈根大学尼尔斯‧玻尔研究所的天体物理学家毛里西奥‧布斯塔曼特(Mauricio Bustamante)说,“今天的这篇论文,第一次系统地计算了这些事件有多不可能由标准模型中微子产生。他们的结果强有力地反驳了标准模型的解释。”

“这篇论文很有说服力,”美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的中微子物理学家比尔‧路易斯(Bill Louis)如此评论道。

如果异常事件由标准模型粒子产生,这些粒子就只可能是中微子,因为标准模型中没有其他粒子能够穿透地球,连百万分之一的机会都没有。但路易斯说,这种能量的中微子不该如此频繁地穿透地球,频繁到连ANITA和冰立方都能够检测到好几起的程度。

ANITA和冰立方并不是直接探测中微子的。在撞入地球大气层或南极冰层之后,中微子会衰变成其他粒子,后者才是ANITA和冰立方探测的对象。如果有其他粒子在穿透地球之后,也产生出了类似的衰变粒子,进而触发了这些中微子探测器,它们就会以为自己检测到了高能中微子。

路易斯说,这篇论文强烈暗示,那些粒子并不是高能中微子,而是标准模型之外的超对称粒子。

ANITA天线探测到奇异粒子从南极飞出,这是否会打破我们所知的粒子

物理学家猜测,标准模型中的每一种粒子都有一个超对称粒子与它对应,但这些超对称粒子从来没有被观测到过。出现在南极的异常事件,可能是超对称粒子露出的马脚吗?

超对称粒子终现身?

那么,这些粒子会是哪种超对称粒子呢?福克斯等人在论文中主张,这些粒子最有可能是超对称τ子,标准模型中τ子的超对称伙伴粒子。

之所以作此推测,是因为他们找到了14年前理论物理学家发表的一篇论文,曾经预言过超对称τ子可能会以这样的方式被中微子观测站检测到。福克斯说,那篇论文是在ANITA异常事件出现之前撰写的,在他看来这意味着那些理论物理学家确实猜对了某些事情。

不过,路易斯评论说,在现在这个阶段就作如此具体的推测,实在“有点夸张”。他说,这篇论文只是从统计学上判断,没有传统粒子可能以这种方式穿透地球,这一点也还需要有更多的数据来加以确认。现有的数据极为有限,肯定不足以明确到底是什么粒子完成了穿透地球之旅。

福克斯并不否认这一点。他承认,仍然存在很多不确定因素,从观测者的角度来看,没有办法确定这就是超对称τ子。现在,研究人员只知道,不管这个粒子是什么,它跟其他粒子的相互作用都非常微弱,否则根本不可能穿透一整颗行星还能幸存下来。

前路指向何方?

对这篇论文发表评论的每一位物理学家都同意,研究人员需要收集更多数据,来验证ANITA和冰立方是否已经探测到了超对称粒子。

福克斯说,如果冰立方的研究人员在他们的数据库里深挖一下的话,他们有可能会发现更多此前没有引起注意的类似事件。路易斯和布斯塔曼特都表示,NASA应该把ANITA天线再挂到气球上作更多次的飞行观测,看看会不会再检测到类似的向上射出的粒子。

ANITA天线探测到奇异粒子从南极飞出,这是否会打破我们所知的粒子

ANITA天线在准备进行另一次飞行观测。

正如伊佩克所说,“对非标准模型粒子的任何观测都可能带来颠覆性变化,因为它会告诉我们在标准模型登顶之后,哪一条路才会通往下一座山峰。”长远来看,如果这些结果能够得到证实,产生这些现象的粒子也能够确定细节的话,ANITA异常现象可能会帮助大型强子对撞机解锁更多的新物理学。

伊佩克指出,超对称τ子很难在大型强子对撞机上产生和检验,因此ANITA和冰立方之类的其他实验真能够观测到超对称τ子的话,事情就非常有趣了。他说,这意味着会有一系列其他的超对称粒子可能在大型强子对撞机上现身。如果大型强子对撞机真的探测到其他超对称粒子,将是对这篇论文的一个补充验证。

换句话说,ANITA异常事件可以为科学家提供必需的关键信息,以便正确地调整大型强子对撞机来解锁更多的超对称粒子。这些实验甚至可能为暗物质提供一个解释。

而现在,福克斯说,他只是在急切地期待更多的数据出炉。(大新闻网

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