南極脈沖瞬變天線（ANITA）實(shí)驗(yàn)檢測到了這些不尋常的無線電脈沖，該實(shí)驗(yàn)在南極洲上空的氣球上搭載了一系列儀器，旨在檢測宇宙射線撞擊大氣層產(chǎn)生的無線電波。

據(jù)包括賓夕法尼亞州立大學(xué)科學(xué)家在內(nèi)的一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)稱，位于南極洲的宇宙粒子探測器發(fā)射了一系列奇異的信號，違背了目前對粒子物理學(xué)的理解。南極脈沖瞬變天線（ANITA）實(shí)驗(yàn)檢測到了這些不尋常的無線電脈沖，該實(shí)驗(yàn)在南極洲上空的氣球上安裝了一系列儀器，旨在檢測宇宙射線撞擊大氣層產(chǎn)生的無線電波。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的是通過分析到達(dá)地球的信號，深入洞察遙遠(yuǎn)的宇宙事件。研究團(tuán)隊(duì)說，這些信號--一種無線電波--似乎來自地平線以下，而不是從冰上反射出來，這種方向無法用目前對粒子物理學(xué)的理解來解釋，可能暗示著科學(xué)界以前未知的新型粒子或相互作用。

研究人員在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）雜志上發(fā)表了他們的研究成果。

物理學(xué)、天文學(xué)和天體物理學(xué)副教授斯蒂芬妮-維塞爾（Stephanie Wissel）說：“我們探測到的無線電波角度非常陡峭，就像在冰表面以下30度的地方。”她在 ANITA 團(tuán)隊(duì)中工作，尋找來自難以捉摸的中微子的信號。

她解釋說，根據(jù)他們的計(jì)算，在到達(dá)探測器之前，異常信號必須穿過數(shù)千公里的巖石并與之相互作用，這本應(yīng)使無線電信號無法被探測到，因?yàn)樗鼤?huì)被巖石吸收。

維塞爾說：“這是一個(gè)有趣的問題，因?yàn)槲覀儗?shí)際上仍然無法解釋這些異常是什么，但我們知道的是，它們很可能并不代表中微子。”

中微子是一種不帶電荷的粒子，也是所有亞原子粒子中質(zhì)量最小的粒子，在宇宙中大量存在。中微子通常由太陽等高能源或超新星甚至宇宙大爆炸等重大宇宙事件發(fā)射，因此中微子信號無處不在。不過，這些粒子的問題在于它們出了名的難以探測，維塞爾解釋說。

她說：“你的拇指指甲里隨時(shí)會(huì)有十億個(gè)中微子經(jīng)過，但中微子并不真正發(fā)生相互作用。因此，這是一個(gè)雙刃劍問題。如果我們探測到它們，就意味著它們已經(jīng)走了這么遠(yuǎn)的路，卻沒有與其他任何東西發(fā)生相互作用。我們探測到的可能是來自可觀測宇宙邊緣的中微子。”

之所以將 ANITA 放在南極洲，是因?yàn)檫@里幾乎不會(huì)受到其他信號的干擾。為了捕捉發(fā)射信號，氣球上的無線電探測器被派到綿延的冰層上空飛行，捕捉所謂的冰雨。

維塞爾補(bǔ)充說，一旦被探測到并追蹤到它們的來源，這些粒子所能揭示的宇宙事件甚至比最高功率的望遠(yuǎn)鏡還要多，因?yàn)檫@些粒子可以不受干擾地以幾乎和光速一樣快的速度傳播，為發(fā)生在光年之外的宇宙事件提供線索。

維塞爾和世界各地的研究團(tuán)隊(duì)一直在努力設(shè)計(jì)和建造特殊的探測器，以捕捉敏感的中微子信號，即使是相對較小的信號。她說，即使一個(gè)微小的中微子信號也蘊(yùn)藏著一個(gè)信息寶庫，因此所有數(shù)據(jù)都具有重要意義。

維塞爾說：“我們使用無線電探測器來嘗試建造真正的大型中微子望遠(yuǎn)鏡，這樣我們就可以追求相當(dāng)?shù)偷念A(yù)期事件發(fā)生率，”她設(shè)計(jì)了在南極洲和南美洲發(fā)現(xiàn)中微子的實(shí)驗(yàn)。

ANITA 就是這些探測器中的一個(gè)，它被放置在南極洲，因?yàn)檫@里幾乎不會(huì)受到其他信號的干擾。為了捕捉發(fā)射信號，氣球上的無線電探測器被送到綿延的冰層上空飛行，捕捉所謂的冰雨。

選擇和搜索過程后的剩余事件。上圖顯示相機(jī)觸發(fā)的像素，最早的像素為紫色，最后一個(gè)像素為紅色。下圖顯示了使用GF重建在上行模式下擬合的重建輪廓。信號在像素上的時(shí)間演變被劃分為50 ns的區(qū)間，以提供來自不同大氣深度的信息。

維塞爾說：“我們在氣球上安裝了這些無線電天線，讓它在南極洲冰層上方 40 公里處飛行。我們把天線對準(zhǔn)冰層，尋找在冰層中相互作用的中微子，這些中微子會(huì)產(chǎn)生無線電輻射，然后我們可以用探測器探測到它們。”

這些與冰相互作用的特殊中微子被稱為τ中微子，會(huì)產(chǎn)生一種被稱為τ輕子的次級粒子，這種粒子會(huì)從冰中釋放出來并發(fā)生衰變。τ輕子是一個(gè)物理學(xué)術(shù)語，指的是粒子在太空中傳播并分解成其成分時(shí)如何損失能量。這會(huì)產(chǎn)生被稱為“空氣簇射”的排放物。

維塞爾解釋說，如果肉眼可見，氣流顯像就像一個(gè)朝一個(gè)方向揮舞的煙火，后面還拖著火花。研究人員可以區(qū)分冰和氣流兩種信號，從而確定產(chǎn)生信號的粒子的屬性。

維塞爾表示，這些信號可以追溯到它們的源頭，就像以一定角度拋出的球會(huì)以同樣的角度反彈一樣。不過，最近的異常發(fā)現(xiàn)無法以這種方式追溯，因?yàn)榻嵌缺痊F(xiàn)有模型預(yù)測的要大得多。

斯蒂芬妮-維塞爾和世界各地的研究團(tuán)隊(duì)一直致力于設(shè)計(jì)和建造特殊的探測器，以捕捉敏感的中微子信號，即使是相對較小的信號。她說，即使一個(gè)微小的中微子信號也蘊(yùn)藏著一個(gè)信息寶庫，因此所有數(shù)據(jù)都具有重要意義。

通過分析從 ANITA 多次飛行中收集到的數(shù)據(jù)，并將其與數(shù)學(xué)模型以及對常規(guī)宇宙射線和上行氣流的大量模擬進(jìn)行比較，研究人員能夠過濾掉背景噪聲，并排除其他已知粒子信號的可能性。

研究人員隨后交叉比對了來自其他獨(dú)立探測器（如冰立方實(shí)驗(yàn)和皮埃爾-奧格天文臺）的信號，看看其他實(shí)驗(yàn)是否捕捉到了與ANITA發(fā)現(xiàn)的信號類似的上行氣流數(shù)據(jù)。

維塞爾解釋說，分析表明其他探測器沒有記錄到任何可以解釋ANITA探測到的信號，因此研究人員將該信號描述為 “反常 ”信號，這意味著導(dǎo)致該信號的粒子不是中微子。

她說，這些信號并不符合粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)圖景，雖然有幾種理論認(rèn)為這可能是暗物質(zhì)的暗示，但由于缺乏冰立方和奧格的后續(xù)觀測，因此可能性很小。

奧格天文臺（頂部）和 ANITA III 飛行（底部）的曝光度隨流星雨能量的變化， E以及注射高度， ?，在天頂角范圍內(nèi)積分 110° ≤θ≤130°，表示到達(dá)方向的各向同性分布。灰色區(qū)域表示統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足。

維塞爾解釋說，賓夕法尼亞州立大學(xué)建造探測器和分析中微子信號已有近10年的時(shí)間，她的團(tuán)隊(duì)目前正在設(shè)計(jì)和建造下一個(gè)大型探測器。維塞爾說，這個(gè)名為 PUEO 的新探測器體積更大，探測中微子信號的能力更強(qiáng)，它將有望揭示異常信號到底是什么。

維塞爾說：“我的猜測是，在冰層附近和地平線附近會(huì)出現(xiàn)一些有趣的無線電傳播效應(yīng)，我并不完全清楚，但我們確實(shí)探索了其中的幾種，我們也還沒有找到任何一種，”維塞爾說。

“所以，目前，這是一個(gè)長期存在的謎團(tuán)，我很高興，我很高興當(dāng)我們使用極地觀測地球觀測衛(wèi)星（PUEO）時(shí)，我們會(huì)有更好的靈敏度。原則上，我們應(yīng)該會(huì)發(fā)現(xiàn)更多的異常現(xiàn)象，也許我們會(huì)真正了解它們是什么。我們還可能探測到中微子，這在某些方面會(huì)更令人興奮。

賓夕法尼亞州立大學(xué)的另一位合著者是物理學(xué)博士候選人安德魯-澤奧拉（Andrew Zeolla）。