奇異粒子飛出南極，或將撬開新物理學大門

一些神祕的東西，從南極這片冰封大陸的地下射出。沒有人知道這些東西是什麼，但它們有可能會打破我們所知的粒子物理學體系。

這些神祕的東西，是由NASA設在南極的ANITA天線探測到的。ANITA的全稱是“南極瞬態脈衝天線”，由氦氣球搭載，工作在南極上空35000米的高度，設計用來捕捉來自外太空的高能中微子。

NASA的ANITA天線，在經過了一次成功的飛行觀測之後，降落在南極冰原之上被科學家回收。圖片來源：澳大利亞南極署

茫茫太空，有無數高能粒子在橫衝直接，被科學家稱為宇宙線。每時每刻，數不清的宇宙線會從四面八方撞向地球，自上而下闖入我們的大氣層。幸好，地球大氣層能夠攔截大多數宇宙線，給生活在地面的我們提供很好的防護。

然而，自2016年3月以來，ANITA天線已經檢測到了兩起異常事件。異常之處在於，這兩起事件中，ANITA檢測到的粒子並非自上而下來自太空，而是自下而上從地球內部射出來的。這令研究人員困惑不已。

這些粒子具體是什麼，物理學家並不清楚。他們只知道，這應該是宇宙線中的某種粒子，只不過是從地球的另外一側撞進來，又從這一邊穿透出去了。問題在於，物理學家所知的粒子，也就是粒子物理標準模型包含的全部粒子，都應該做不到這一點才對。

已知的基本粒子當中，確實有不費吹灰之力就能穿透整個地球的，比如能量較低的中微子。但ANITA想要探測的高能中微子，以及其他的高能粒子，都沒有這樣的能力。用科學家的術語來說，高能粒子擁有“較大的截面”。這意味著，它們撞入地球內部之後，幾乎總是會很快撞上其他東西，基本上不太可能從地球的另一邊穿透出來。

然而，ANITA卻檢測到了從地球射出去的高能粒子，而且還不止一起。普通的宇宙線似乎不太可能做到這一點。於是，一種莫名的興奮開始在研究高能中微子的學術圈裡暗自湧動。科學家開始猜測，這些神祕的異常事件，會不會由此前從未見過的粒子產生。

登頂望遠，四顧茫然

這樣的莫名興奮是可以理解的，因為過去幾年來，高能粒子領域的實驗物理學一直處於停滯狀態。

2009年，當價值100億美元、直徑27千米的大型強子對撞機（LHC）在法國和瑞士邊界完工時，科學家曾經滿懷期待，以為它將就此補上粒子物理標準模型缺失的最後一環，並將揭開標準模型之外新物理學的神祕面紗。

大型強子對撞機的示意圖，這是目前人類製造的能級最高的對撞機，曾被科學家寄予厚望，期待它能夠發現現有物理學體系的新粒子。圖片來源：The Signum Times‏

粒子物理標準模型，可以說是物理學體系中最成功的理論之一，不只精確描述了引力以外的全部3種基本作用力，還精確預言了構成物質的全部61種基本粒子。在當時，除了最後的希格斯玻色子尚未被人發現，其他60種粒子都得到了實驗觀測的證實。

但物理學家堅信，標準模型並非全部，在它之外一定還有新的物理學理論，比如超對稱。這一假說預言，在標準模型之外，還存在一大類神祕的粒子，卻從來沒有被檢測到過。根據超對稱理論，標準模型中的每一個粒子都有一個超對稱夥伴與之對應。科學家之所以懷疑存在這些夥伴粒子，是因為已知粒子的質量看起來不太合理，彼此並不對稱。

“雖然粒子物理標準模型能夠極好地解釋太多的現象，但它仍有不少缺憾。”美國加利福尼亞大學歐文分校的粒子物理學家賽達‧伊佩克（Seyda Ipek）舉例說，“它無法解釋暗物質的存在，無法解釋中微子的質量，也無法解釋宇宙中物質和反物質為什麼會不對稱。”

到了2012年，被寄予厚望的大型強子對撞機果然確認了希格斯玻色子的存在，為標準模型填上了此前未經證實的最後一塊拼圖。這一發現，不僅讓希格斯機制的提出者拿到了諾貝爾物理學獎，還讓標準模型的成功達到了前所未有的高度。

預言了希格斯玻色子的彼得‧希格斯本人，分享了2013年的諾貝爾物理學獎。圖片來源：倫敦科學博物館

此時的物理學家，發現自己已經登上了粒子物理標準模型的頂峰，是時候在這裡登高望遠，尋找下一座山峰在什麼方向了。

然而接下來，大型強子對撞機再也沒有檢測到任何重要或者有趣的東西。耗費巨資建成這臺超大型實驗設備，在補完了已知的標準模型之後，卻拒絕給物理學家指明新物理學所在的方向。研究人員甚至開始懷疑，現有的物理學實驗到底能否檢測到超對稱粒子。

就在物理學家苦苦找不到突破方向的時候，ANITA在遙遠的南極檢測到了異常事件，看起來不太可能由普通粒子產生。這讓他們如何能夠不興奮？

異常事件，撬開大門

從ANITA檢測到異常事件時起，物理學家就提出了各式各樣的理論，來解釋這些向上射出的宇宙線。有人猜測，這有可能是惰性中微子，一種幾乎從來不跟物質粒子打交道的中微子。也有人猜測，這會不會是“分佈在地球內部的非典型暗物質”。

這些解釋都很有趣，也紛紛暗示ANITA可能檢測到了標準模型中並不包含的粒子。然而話說回來，雖然“基本上不太可能”，但普通粒子會不會仍有一線機會產生出ANITA探測到的異常事件呢？沒有哪種解釋能夠將這種可能性徹底排除，畢竟異常事件一共也只有區區兩起。

而現在，情況已經發生了變化。

9月26日，美國賓夕法尼亞州立大學德里克‧福克斯（Derek Fox）帶領的一組天體物理學家，在arXiv預印本網站上傳了一篇新論文。他們在論文中表示，除了ANITA探測到的那兩起事件，他們還找到了更多從地球內部射出來的高能粒子事件——冰立方（IceCube）就有3次檢測到了類似的粒子，只不過以前沒有人把它們跟ANITA異常事件聯繫起來。

冰立方觀測站的地面設施，真正的冰立方位於冰面之下超過1000米的深處，用於探測來自宇宙的極高能中微子。圖片來源：冰立方中微子觀測站

冰立方觀測站同樣設在南極，是一座大型的中微子觀測站。與ANITA天線用氣球懸吊於高空不同，冰立方架設在超過1000米深的南極冰層之下，由數千個探測器構成，分佈範圍超過1立方千米。它的探測目標是來自宇宙的極高能中微子。

將冰立方的3起事件與ANITA的2起事件結合在一起，賓夕法尼亞州立大學的這些研究人員計算出，不管是什麼粒子從地球內部穿透出來，它是標準模型粒子的可能性都遠低於1/3500000。

用統計學術語來說，他們的結果具有5.8 σ和7.0 σ的置信度，具體取決於不同的計算過程。相比之下，當初大型強子對撞機宣佈發現希格斯玻色子時，實驗數據統計結果的置信度也才剛剛達到5.0 σ。

換句話說，這篇論文事實上洗清了普通粒子的嫌疑，認定穿透地球的那些粒子超出了現有物理學的框架之外。

非正式同行評論

這篇論文還沒有經過同行評議，尚未被學術期刊接收發表。不過，幾位沒有參與那篇論文的科學家評論說，這項研究提供了可靠（但可能並不完整）的證據，表明新的東西確實已經出現。

“從一開始就很明顯，如果ANITA異常事件由粒子穿透整個地球而產生，那這些粒子極有可能不是標準模型粒子。”丹麥哥本哈根大學尼爾斯‧玻爾研究所的天體物理學家毛裡西奧‧布斯塔曼特（Mauricio Bustamante）說，“今天的這篇論文，第一次系統地計算了這些事件有多不可能由標準模型中微子產生。他們的結果強有力地反駁了標準模型的解釋。”

“這篇論文很有說服力，”美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的中微子物理學家比爾‧路易斯（Bill Louis）如此評論道。

如果異常事件由標準模型粒子產生，這些粒子就只可能是中微子，因為標準模型中沒有其他粒子能夠穿透地球，連百萬分之一的機會都沒有。但路易斯說，這種能量的中微子不該如此頻繁地穿透地球，頻繁到連ANITA和冰立方都能夠檢測到好幾起的程度。

ANITA和冰立方並不是直接探測中微子的。在撞入地球大氣層或南極冰層之後，中微子會衰變成其他粒子，後者才是ANITA和冰立方探測的對象。如果有其他粒子在穿透地球之後，也產生出了類似的衰變粒子，進而觸發了這些中微子探測器，它們就會以為自己檢測到了高能中微子。

路易斯說，這篇論文強烈暗示，那些粒子並不是高能中微子，而是標準模型之外的超對稱粒子。

物理學家猜測，標準模型中的每一種粒子都有一個超對稱粒子與它對應，但這些超對稱粒子從來沒有被觀測到過。出現在南極的異常事件，可能是超對稱粒子露出的馬腳嗎？圖片來源：STFC/Ben Gilliland

超對稱粒子終現身？

那麼，這些粒子會是哪種超對稱粒子呢？福克斯等人在論文中主張，這些粒子最有可能是超對稱τ子，標準模型中τ子的超對稱夥伴粒子。

之所以作此推測，是因為他們找到了14年前理論物理學家發表的一篇論文，曾經預言過超對稱τ子可能會以這樣的方式被中微子觀測站檢測到。福克斯說，那篇論文是在ANITA異常事件出現之前撰寫的，在他看來這意味著那些理論物理學家確實猜對了某些事情。

不過，路易斯評論說，在現在這個階段就作如此具體的推測，實在“有點誇張”。他說，這篇論文只是從統計學上判斷，沒有傳統粒子可能以這種方式穿透地球，這一點也還需要有更多的數據來加以確認。現有的數據極為有限，肯定不足以明確到底是什麼粒子完成了穿透地球之旅。

福克斯並不否認這一點。他承認，仍然存在很多不確定因素，從觀測者的角度來看，沒有辦法確定這就是超對稱τ子。現在，研究人員只知道，不管這個粒子是什麼，它跟其他粒子的相互作用都非常微弱，否則根本不可能穿透一整顆行星還能倖存下來。

前路指向何方？

對這篇論文發表評論的每一位物理學家都同意，研究人員需要收集更多數據，來驗證ANITA和冰立方是否已經探測到了超對稱粒子。

福克斯說，如果冰立方的研究人員在他們的數據庫裡深挖一下的話，他們有可能會發現更多此前沒有引起注意的類似事件。路易斯和布斯塔曼特都表示，NASA應該把ANITA天線再掛到氣球上作更多次的飛行觀測，看看會不會再檢測到類似的向上射出的粒子。

ANITA天線在準備進行另一次飛行觀測。圖片來源：NASA

正如伊佩克所說，“對非標準模型粒子的任何觀測都可能帶來顛覆性變化，因為它會告訴我們在標準模型登頂之後，哪一條路才會通往下一座山峰。”長遠來看，如果這些結果能夠得到證實，產生這些現象的粒子也能夠確定細節的話，ANITA異常現象可能會幫助大型強子對撞機解鎖更多的新物理學。

伊佩克指出，超對稱τ子很難在大型強子對撞機上產生和檢驗，因此ANITA和冰立方之類的其他實驗真能夠觀測到超對稱τ子的話，事情就非常有趣了。他說，這意味著會有一系列其他的超對稱粒子可能在大型強子對撞機上現身。如果大型強子對撞機真的探測到其他超對稱粒子，將是對這篇論文的一個補充驗證。

換句話說，ANITA異常事件可以為科學家提供必需的關鍵信息，以便正確地調整大型強子對撞機來解鎖更多的超對稱粒子。這些實驗甚至可能為暗物質提供一個解釋。

而現在，福克斯說，他只是在急切地期待更多的數據出爐。

作者：Rafi Letzter

來源：果殼

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