据一个由宾夕法尼亚州立大学专家参与的国际研究团队称，数年前，科学家们利用南极洲的一台宇宙粒子探测器记录到了一系列令人费解的无线电信号。2016年至2018年间，美国国家航空航天局（NASA）的南极脉冲瞬态天线（ANITA，一种搭载于南极冰层上空高空气球上的仪器组）捕捉到了几波奇特的无线电能量爆发，其特征与以往所见截然不同。如今，一项新研究为这些近十年前的发现提供了新的背景信息。
研究人员解释道，ANITA任务的目的是通过探测宇宙射线撞击地球大气层时产生的无线电波，来研究遥远的宇宙现象。然而，部分探测到的信号并未如预期那样从冰面反射回来，而是似乎源自地平线以下。这种向上的传播方向与当前粒子物理学模型相悖，在当时引发了这样一种可能性：ANITA或许发现了科学界此前未知的新型粒子或相互作用。
为进一步探究，科学家们将目光投向了位于阿根廷的皮埃尔·奥格天文台。通过对长达15年的宇宙射线数据进行研究，包括宾夕法尼亚州立大学研究人员在内的国际科研团队，试图更深入地理解神秘的ANITA探测结果。他们的研究成果近日发表于《物理评论快报》期刊。
探寻答案
参与寻找神秘中微子信号的ANITA团队成员、物理学、天文学及天体物理学副教授斯蒂芬妮·威塞尔（Stephanie Wissel）表示：“我们近十年前探测到的无线电波以极为陡峭的角度传播，比如冰面以下30度。”“尽管这些事件的起源尚不明确，但我们的新研究表明，像皮埃尔·奥格天文台这样长时间观测的实验并未发现此类事件。因此，这并不意味着存在新的物理学现象，而是为这一谜题增添了更多线索。”
她解释道，计算结果表明，这一异常信号在抵达探测器之前，需穿越数千公里的固态岩石。在正常情况下，这段路程本应将无线电波完全吸收，使得信号根本无法被探测到。
威塞尔表示：“这是一个饶有趣味的问题，因为我们至今仍未对这些异常现象作出合理解释，但可以确定的是，它们极有可能并非中微子所致。”
中微子是一种不带电荷、在所有亚原子粒子中质量最小的粒子，在宇宙中广泛存在。它们通常由太阳等高能天体，或超新星爆发乃至大爆炸等重大宇宙事件释放而出，中微子信号无处不在。然而，威塞尔解释道，这些粒子的问题在于，它们极难被探测到。
“任何时刻，都有数十亿中微子穿过你的拇指指甲，但中微子几乎不与其他物质发生相互作用，”她说道，“因此，这便是双刃剑问题所在。倘若我们探测到了它们，那就意味着它们一路穿越至此，却未曾与任何其他物质产生过相互作用。我们探测到的中微子，有可能正是源自可观测宇宙的边缘。”
洞悉遥远宇宙事件的窗口
维塞尔补充道，一旦探测到这些粒子并追溯到其源头，它们所能揭示的宇宙事件信息，甚至比最强大的望远镜还要多。因为这些粒子能够不受干扰地传播，速度几乎与光速相当，从而为光年之外发生的宇宙事件提供线索。
维塞尔与全球各地的研究团队一直致力于设计和制造特殊的探测器，用以捕获哪怕极为微量的敏感中微子信号。她表示，即便是一个来自中微子的微小信号，也蕴含着海量信息，因此所有数据都具有重要意义。
“我们利用无线电探测器，试图建造规模极其庞大的中微子望远镜，以便能够探测到预期发生率极低的事件，”曾在南极洲和南美洲设计实验以探测中微子的威塞尔说道。
安妮塔（ANITA）便是这些探测器之一，它被安置在南极，因为那里几乎不会受到其他信号的干扰。为捕获发射信号，搭载在气球上的无线电探测器被送往冰原上空飞行，捕捉所谓的冰雨现象。
威塞尔说：“我们在一个气球上安装了无线电天线，该气球在南极冰层上方40公里处飞行。我们将天线对准冰层，寻找在冰层中相互作用的中微子，这些中微子会产生无线电辐射，随后我们的探测器就能感应到这些辐射。”
这些与冰产生特殊相互作用的中微子，被称为τ中微子，它们会产生一种名为τ轻子的次级粒子。这种粒子会从冰中逸出并发生衰变（物理学中，该术语指的是粒子在空间中传播时损失能量并分解为其组成成分的过程）。这一过程会产生被称为空气簇射的辐射现象。
维塞尔解释道，若能用肉眼观测，大气簇射或许会如同朝着一个方向挥舞的烟花棒，火花在其身后拖曳成痕。研究人员能够区分冰信号与大气簇射信号这两种信号，进而确定产生该信号的粒子的属性。
威塞尔（Wissel）表示，这些信号可追溯至其源头，就如同以一定角度抛出的球会按可预测的轨迹以相同角度反弹回来。然而，这些异常发现却无法以这种方式追溯，因为其角度远比现有模型预测的要尖锐得多。
来源不明的异常情况
研究人员通过分析从多次南极脉冲瞬态天线（ANITA）飞行任务中收集的数据，并将其与常规宇宙射线及向上传播的空气簇射的数学模型和大量模拟数据进行比对，成功过滤了背景噪声，并排除了其他已知粒子信号的可能性。
随后，研究人员将其他独立探测器（如冰立方中微子天文台和皮埃尔·奥格天文台）传回的信号进行了交叉比对，以确认其他实验是否也捕捉到了与南极脉冲瞬态天线（ANITA）所发现的类似的向上传播的空气簇射数据。
分析显示，其他探测器并未记录到任何能解释ANITA探测结果的信息，这使得研究人员将该信号描述为“异常”，即产生该信号的粒子并非中微子，维塞尔解释道。维塞尔称，在信号首次被探测到时，各种理论层出不穷，认为这些信号不符合粒子物理学的标准图景，还有人提出这可能是暗物质存在的线索，但近期冰立方中微子天文台和奥格尔探测器均未观测到相关现象，这大大缩小了可能性范围。
维塞尔解释道，这些团队研究气球项目已有十余年之久，并补充说，她所在的团队目前正致力于设计和构建下一代大型探测器。维塞尔称，这款名为PUEO的新型探测器体积更大，探测中微子信号的能力也更强，有望揭示异常信号的真正面目。
威塞尔说：“我猜测，在冰层附近以及地平线附近，会出现一些我尚未完全弄明白的有趣无线电传播效应。当然，我们也对其中几种效应进行了探索，但目前仍未有所发现。所以，目前这仍是一个长期存在的谜团。令我兴奋的是，当我们驾驶PUEO（极地中微子天文台项目所使用的气球载高能中微子探测器）升空时，我们将拥有更高的灵敏度。原则上，我们应该能够更好地理解这些异常现象，这对于我们了解相关背景信息，并最终在未来探测到中微子大有裨益。”
参考文献：A. 阿卜杜勒·哈利姆（A. Abdul Halim）、P. 阿布雷乌（P. Abreu）、M. 阿列塔（M. Aglietta）、I. 阿莱科特（I. Allekotte1）、K. 阿尔梅达·切米南特（K. Almeida Cheminant）、A. 阿尔梅拉（A. Almela）、R. 阿洛伊西奥（R. Aloisio）、J. 阿尔瓦雷斯 - 穆尼兹（J. Alvarez-Muñiz）、J. 阿默曼·耶布拉（J. Ammerman Yebra）等人（皮埃尔·奥格尔合作组）所著《利用皮埃尔·奥格尔天文台搜寻由南极脉冲瞬态天线探测到的反常事件》，发表于2025年3月27日《物理评论快报》。 DOI：10.1103/PhysRevLett.134.121003
由宾夕法尼亚州立大学科学家开展的这项研究，得到了美国能源部和美国国家科学基金会的资助。
