【原】從南極洲噴出的神秘粒子是否會改變現(xiàn)有的物理學(xué)？

天文在線 2023-04-08 發(fā)布于云南

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從南極洲噴出的神秘粒子違背了物理學(xué)

研究人員準(zhǔn)備啟動(dòng)南極脈沖瞬變天線（ANITA）實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)在南極上空的氣球上懸掛時(shí)，可以接收到看似不可能的粒子信號。

我們最好的粒子物理模型正仿佛無法再隱瞞宇宙的秘密了一般，從縫隙中噴射出神秘物質(zhì)。現(xiàn)在，伴隨著一系列發(fā)生在南極洲的奇怪事件，這些秘密的面紗也被逐漸揭開。

物理學(xué)界盛興的標(biāo)準(zhǔn)模型在數(shù)十年間被預(yù)想，而我們手頭已經(jīng)出現(xiàn)了它在物理學(xué)中有問題的跡象。從實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)中得出的結(jié)果指出，中微子的閃光處在標(biāo)準(zhǔn)模型描述的三種類型之外，并且在這樣一個(gè)充滿暗物質(zhì)的宇宙中，標(biāo)準(zhǔn)模型里似乎沒有粒子可以解釋這一現(xiàn)象。

但是最近引人注目的證據(jù)可能有一天會把這些模糊的數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起:自2016年以來，超高能粒子已經(jīng)三次爆炸穿過南極洲的冰層，觸發(fā)了南極脈沖瞬態(tài)天線實(shí)驗(yàn)中的探測器(ANITA)—— 一臺懸掛在美國宇航局的氣球上遠(yuǎn)離冰凍的表面的機(jī)器。

據(jù)《生活科學(xué)》2018年的報(bào)導(dǎo)，除了那些事件不符合任何標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的預(yù)期行為，后來在埋藏于南極洲地下的"冰立方"中微子觀測站所檢測到的幾種額外粒子也不符合該預(yù)期行為。這些粒子形似超高能中微子，但超高能中微子不能穿過地球。這說明目前存在一種人類尚未發(fā)現(xiàn)的粒子正在不斷地沖擊寒冷的南半球上空。

如今，在一篇新的論文中，在"冰立方"工作的物理學(xué)家組成的一個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始嚴(yán)重懷疑對這些粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一種解釋，即宇宙加速器。這是一種蘊(yùn)藏在太空中的巨大中微子槍，它能夠周期性地向地球發(fā)射高強(qiáng)度的中微子彈。一些位于南半球上空極度活躍的中微子槍可能已經(jīng)向地球釋放了相當(dāng)多的中微子，以至于人類已經(jīng)能檢測到從南半球一角射出的粒子。但是，"冰立方"的研究人員尚未發(fā)現(xiàn)任何能證明此說法的證據(jù)，這意味著新物理學(xué)必須要解釋這些神秘粒子的存在。

想要理解上述現(xiàn)象的成因，了解為什么這些神秘粒子相對于標(biāo)準(zhǔn)模型會如此混亂就顯得尤為重要。

中微子是人類目前已知最微弱的粒子，它們很難被檢測到，而且?guī)缀鯖]有質(zhì)量。中微子一直以來都在穿過我們的地球。它們當(dāng)中的絕大多數(shù)來自太陽；而極少一部分(如果有的話)會與質(zhì)子，中子和組成我們身體以及我們腳下塵埃的電子發(fā)生碰撞。

但來自深空的超高能中微子與它們的低能中微子不同。它們比低能中微子罕見得多，它們有更寬的“截面”，這意味著當(dāng)它們通過它們時(shí)，它們更有可能與其他粒子發(fā)生碰撞。超高能中微子使它在整個(gè)地球上完好無損的幾率是如此之低，以至于你從來沒有預(yù)料到它的發(fā)生。這就是安妮塔探測器如此令人驚訝的原因：就好像這臺儀器兩次中了彩票，然后冰立方在它開始買票的時(shí)候又贏了幾次。

物理學(xué)家們知道他們需要處理多少彩票。許多超高能宇宙中微子來自宇宙射線與宇宙微波背景(CMB)的相互作用，這是宇宙大爆炸的微弱余輝。每隔一段時(shí)間，這些宇宙射線就會以正確的方式與CMB相互作用，從而在地球上激發(fā)高能粒子。這就是所謂的“通量”，在整個(gè)天空中都是一樣的。ANITA和冰立方都已經(jīng)測量了宇宙中微子通量在它們各自的傳感器上是什么樣子，它只是沒有產(chǎn)生足夠的高能中微子，以至于你可以期望在任何一個(gè)探測器上都能探測到一個(gè)中微子飛出地球。

從事冰立方的日內(nèi)瓦大學(xué)物理學(xué)家Anastasia Barbano說到“如果這次ANITA監(jiān)測到屬于彌散的中微子物質(zhì)的組成，那ANITA也能測量出以別的角度所發(fā)生的情況。”

但理論上來說，可能會有超高能中微粒子超出天空的通量，Barbano在《生命科學(xué)》中講到：那是中微槍或是宇宙加速器。

”如果此次不是超高能的宇宙射線和CMB相互作用所產(chǎn)生的中微子，那觀察到的中微子，不是某個(gè)宇宙加速器在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的，就是地球上一些未知的資源?！?/span>

她又說到，爆炸物、活躍的銀河原子核、伽馬射線的爆發(fā)、星爆星系、星系合并以及磁化和高速旋轉(zhuǎn)的中子星，都是這類加速器極好的組成。

正如我們了解的，宇宙中微子加速器確實(shí)存在于太空中。在2018年，冰立方將高能中微子追蹤到了耀變體（一個(gè)遙遠(yuǎn)星系中心中，活躍的黑洞的強(qiáng)烈粒子噴射）。

Barbano補(bǔ)充到：“ANITA只能檢測到極高能中微子，如果向上飛行的粒子是標(biāo)準(zhǔn)模型中宇宙加速器增強(qiáng)的中微子（很可能是tau中微子），那么束流應(yīng)該帶有一列較低能量的粒子，而這可能會影響冰立方對低能量粒子的探測。

“我們從冰立方七年的數(shù)據(jù)中心尋找可以與ANITA（南極脈沖瞬態(tài)天線）探測出的角度和長度匹配的事件”，Barbano說道。這些事件是你預(yù)計(jì)能找到的，如果真的有一組顯著的宇宙中微子槍在向地球發(fā)射這些上行的粒子。然而，這樣的事件連一個(gè)都沒有出現(xiàn)過。

他們的研究結(jié)果沒有完全排除宇宙中存在加速器源。但它們確實(shí)“極大地限制”了可能性，將所有貌似最可信的涉及宇宙加速器的設(shè)想和很多不怎么可信的都排除掉了。

“我們想要向公眾傳達(dá)的信息是，無論你怎樣剖解它，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型天體物理學(xué)的解釋都起不了作用”，Barbano說道。

研究者們不知道下一步是什么。無論是ANITA還是冰立方對于后續(xù)的探索都不是理想的探測器，Barbano說道，這讓研究者們幾乎沒有數(shù)據(jù)來構(gòu)建他們關(guān)于這些神秘粒子的設(shè)想。這有點(diǎn)像嘗試用一小把拼圖碎片去弄明白整副巨大的拼圖到底是什么。

現(xiàn)在，很多可能性看起來能符合那有限的數(shù)據(jù)，包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型外的第四類“惰性”中微子以及一些暗物質(zhì)的推定類型。這些解說的任何一個(gè)都將會是變革性的，但目前還沒有一個(gè)是受到強(qiáng)烈支持的。

Barbano表示：“我們必須要等待下一代中微子探測器”。

相關(guān)知識

中微子探測器是觀測中微子的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。由于中微子只參與弱相互作用，一般探測器需要建造得夠大，以接收到足夠數(shù)量的中微子訊號。中微子探測器一般會選擇建造在地底深處，以屏蔽宇宙射線以及其它背景輻射。中微子天文學(xué)目前仍未成熟，現(xiàn)今已確認(rèn)來自地球以外的訊號來源只有太陽和超新星SN 1987A。然而未來中微子觀測站將“為天文學(xué)家提供透析宇宙的展新視野”。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學(xué)名詞

3.space-Rafi Letzter-我愛百香果，.，Value，Michael，關(guān)天然

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翻譯：天文志愿文章組-快速翻譯小分隊(duì)

聯(lián)合署名：我愛百香果，.，Value，Michael，關(guān)天然

審核：天文志愿文章組-質(zhì)子教授

排版：零度星系

參考資料

1.WJ百科全書