研究為南極洲中微子異常提供了新的解釋

2020-08-28 科學新聞前沿

中微子概念圖

維吉尼亞理工大學物理學助理教授合著的一篇新的研究論文為最近發生在南極洲的兩個奇怪事件提供了一個新的解釋：高能中微子似乎是自發地從地球上出來並向天空飛去的。

這些異常現象發生在2016年和2018年，科學家們在尋找來自太空的超高能宇宙射線和中微子時發現了這些異常現象，所有這些異常現象都是由一組無線電天線跟蹤的，天線連接在一個漂浮在南極上空約23英裡處的氣球上。中微子是非常小的粒子，通過多種方式產生，包括恆星爆炸和伽馬射線爆發。它們在宇宙中無處不在，非常小，幾乎可以穿過任何物體，從人到建築物，再到地球本身。

這些事件是由科學家在2006年在南極開始的南極脈衝瞬變天線（antarctica Impulsive Transient Antenna）實驗中發現的。兩次，ANITA的科學家們發現了模仿高能中微子的無線電信號，這些中微子似乎是自發地從地面升起的。科學家們仍然對這一活動感到困惑，到目前為止，大約有40篇論文給出了截然不同的答案—脈衝是毫無阻礙地穿過整個地球核心並從地面出來的中微子；脈衝是人們長期追逐的被稱為稀薄中微子的「第四」中微子，神秘的太空「暗物質」。或者這是粒子物理學或天體物理學中一個完全未知的領域，它正在乞求一份屬於它的諾貝爾獎。

南極洲的地圖（左）和放大（右），顯示了ANITA實驗觀察到的兩個異常事件

伊恩·舒梅克(Ian Shoemaker)是維吉尼亞理工學院物理系和中微子物理中心的助理教授，他有一個不同的、更簡單的解釋。在最近發表在《冰川學年鑑》雜誌上的一篇論文中，舒梅克和他的幾位同事認為，這些異常並非來自中微子，而僅僅是來自太空的超高能宇宙射線的不加遮掩的反射，這些超高能宇宙射線錯過了最上層的冰，然後進入地面，撞擊了被稱為「冷杉」的厚厚的積雪。

「我們認為地表下的積雪是罪魁禍首，」 舒梅克補充道，「積雪介於雪和冰川之間。這是壓實的雪，密度不足以結冰。因此，你可以有密度反演，從高密度到低密度的範圍，以及那些關鍵的界面，在這些界面上可以發生這種反射，並可以解釋這些事件。」

這可以說是奧卡姆剃刀的一個例子(這是一個有數百年歷史的理論，對於那些在大學裡跳過哲學的人來說，最簡單的解決方案很可能是正確的)，但舒梅克並沒有責怪ANITA。 「不管ANITA發現了什麼，都很有趣，但可能不是諾貝爾獎獲得者粒子物理學的發現。」 但他並不否認所謂的異常現象沒有科學價值。 「ANITA仍然可以發現一些關於冰川學的有趣東西，而不是粒子物理學，這可能是一些不同尋常的小冰川湖泊。」

冰下湖泊是舒梅克和他的團隊進行反思的另一個考慮因素。 然而，根據目前的研究，這些深埋在地下的湖泊分布得太遠，因此不是最可能的解釋。 但是，如果湖泊的數量比之前所知的要多得多，對於研究南極洲景觀和內部的科學家來說，這一發現將是一個巨大的勝利。 舒梅克和他的團隊建議科學家有目的地向異常發生的區域發射無線電信號。

「我對它們一無所知，但它們確實存在，」舒梅克在談到南極洲的冰河下湖泊時說。 「南極洲的冰下有湖泊，這些湖泊會有合適的反射特性，但它們的分布還不夠廣泛。我們的想法是，宇宙射線的部分射電脈衝可以在反射之前深入冰層，這樣你就可以在沒有相位反轉的情況下進行反射。在這種情況下，如果不翻轉波，它看起來真的就像一個中微子。」

舒梅克補充說，「當宇宙射線，或者說中微子，以非常高的能量穿過冰層時，它們會以質子和電子的形式散射到冰層內的物質上，然後它們就會產生無線電脈衝，科學家們可以看到這種巨大的無線電信號。 問題在於，這些信號具有中微子的無線電脈衝特性，但是它們的傳播距離似乎遠遠超過已知物理條件下的可能範圍。 普通的中微子不是這樣的。 但是這種能量的宇宙射線是經常出現的，並且已經被許多許多實驗所觀察到。」

來源：phys.org

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