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南极洲检测到神秘“幽灵粒子”来源无法解释 或导致新物理学诞生

2020-02-19 点击:1566

照片来源:马丁沃尔夫,冰立方/国家科学基金会

当物理学家从宇宙中一个不太可能的方向探测到高能中微子信号时,他们自然会寻找一个强有力的来源来解释它。

对这些更活跃的“幽灵”粒子的最可能来源进行了深入研究的科学家现在空手而归,为更奇怪的猜测打开了大门。这些奇怪的信号背后隐藏着什么?

根据7年来冰立方中微子搜索实验的数据,来自世界各地的一大群研究人员不得不承认,对这一发现的传统解释似乎站不住脚。

中微子是基本粒子标准模型中的类电子粒子。与电子不同,它们的质量出奇地小,而且没有电荷。

这种微弱的中性意味着中微子不愿意停止与其他粒子的对话。在太阳深处原子的衰变中,每秒钟有大量粒子穿过地球,只有少量粒子接近原子,引起明显的反应。

为了捕捉中微子撞击冰冻水分子的罕见闪光,冰立方天文台使用了一长串埋在南极冰层下的灵敏光捕捉装置。

在过去十年中,它每天记录数百次闪光,并建立了一个巨大的信息库,记录中微子撞击地球的方向和能量。

但这不是唯一的一步。美国国家航空航天局的南极脉冲瞬态天线(ANITA)悬挂在一个氦气球上,捕捉高能中微子从南极上空近40公里的高度撞击大气原子的迹象。

对ANITA来说还为时过早,但在过去的几年里,它的首次飞行已经成功地发现了一些高能粒子的迹象。奇怪的是,两个信号不是来自天空,而是来自地球本身。

对于一个刚从太阳“下来”的懒惰中微子来说,这并不奇怪。然而,在ANITA记录的能量下,中微子以更高的速度与我们星球上的原子结合,几乎不受影响。威斯康辛大学麦迪逊分校的天体物理学家亚历克斯皮佐托说,“人们经常说中微子是‘难以捉摸的’或‘幽灵般的’粒子,因为它们具有非凡的穿过物质而不撞击任何东西的能力。”

"但是有了这些不可思议的能量,中微子就像斗牛场上的头公牛。它们更有可能与地球上的粒子相互作用。”

需要一些解释来找到一对“正”中微子,并让它们一路穿过地球。

当然,它们可能只是非常罕见的偶然发现。这种巧合并非不可能。但更有可能的是,被探测到的粒子作为一个大群体的一部分撞击地球。

高能中微子通常是在宇宙射线和原子核的相互作用中产生的,然后被宇宙深处的强磁场强烈推动。

正因为如此,研究人员计算出需要多少高能中微子才能让ANITA有极好的机会发现它们,并从冰块中挖掘数据,找到能产生大量中微子的统计数据。

瑞士日内瓦大学的物理学家anastasia Barbano说:“这个过程使冰立方成为ANITA观察的极好工具,因为对于ANITA检测到的每一个异常,冰立方都应该检测到更多的异常。”

“在这种情况下,我们没有这样做。”

那么,我现在该怎么办?

首先,值得记住的是,即使是资金最充足的专业实验也会出错。

不到十年前,人们仍然对发现比光速更快的中微子的可能性感到兴奋.这一发现在被发现之前花了很长时间进行测试。这很可能是个错误。

这些新发现现在可以在arXiv.org的预印网站上找到,并提交给《天体物理杂志》进行审查。

然而,即使是现在,我们仍然可以考虑一些吸引人的可能性,甚至敢于想象超越现有物理学的解释。

"我们的分析排除了ANITA异常的唯一标准模型天体物理学解释."皮佐托说。

“所以现在,如果这些事件是真实的,不仅仅是因为探测器的古怪,那么它们可能指向标准模型之外的物理。”

一种可能性是宇宙加速器在如此短的时间范围内释放出如此多的中微子,以至于科学家无法用当前的技术捕捉到它们。

如果我们想更大胆、更疯狂,我们甚至可以思考暗物质是否发挥了作用,或者想象一种新的粒子,它的作用类似于高能中微子,但它是以其他方式产生的。

有很多答案,现在我们对中微子秘密的探索仍处于初级阶段。有如此多的东西需要学习,许多希望寄托在中微子上,这能使我们深刻理解可能导致新物理学诞生的主要奥秘。

冰块和安妮塔无疑会寻找更多这些令人困惑的高能“幽灵粒子”,以突破物理学的极限。

预印的纸可以在arXiv.org找到。

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