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2006年，NASA在南极洲开展了一项名为“南极脉冲瞬态天线（ANITA）”的实验项目。科学家将一个携带无线电天线的氦气球升到了37000米的高空，并让其在那里停留一个月。南极洲远离人类活动区域，那里的空气寒冷且干燥，因此能够最大限度地排除地面干扰。所以科学家希望能在那里捕捉来自太空的高能粒子，尤其是高能中微子。然而一个月后，当人们检查拿到的数据时，除了偶尔的背景噪声外，数据中并没有出现人们期望的结果。此后，NASA又在2009年和2014年分别进行了两次实验，结果依旧令人失望。
转机出现在之后的2016年。某天，当研究人员再次检查之前的数据时，在先前被当作噪声的数据中他们发现了一个特殊的信号。从信号特征来看，这是一个高能的τ中微子。虽然符合标准模型，但是这个粒子的行为却表现的不合逻辑——它的运动方向不是由上而下从天而降，而是从下往上由地面射向天空！
这件事奇怪在哪呢？
对于高能中微子来说，地球上（尤其是南极这个地方）根本没有相应的发射源。宇宙中的高能中微子通常来源于超新星爆发、伽马射线暴这种天体级的极端事件。而地球上能大量产生中微子的地方估计也就核反应堆了（这也是为什么很多中微子实验室都建在核电站附近），但是核电站产生的中微子能量相对较低，不足以被视为这些高能中微子的发射源。
不过还有一种可能，就是这些高能粒子是来自地球的另一边，甚至可能是北天区的某个天体发射的，然后穿过了地球到达南极上空，从而被探测到。因为中微子不带电且质量很小（甚至理论上没有质量），有着极强的穿透性，所以这种可能不是没有。
于是科学家们开始排查该方向上是否存在这样一个高能中微子源。同时，为了排除设备问题，他们不但检查了前两次的ANITA实验数据，还专门收集了“冰立方（IceCube）”的8年数据。
冰立方是位于南极洲的一个大型中微子探测站，它由五千多个深埋冰层下的探测器组成。在这之前，冰立方探测到的基本都是来自太阳的普通中微子。
但是在仔细排查后，不管是冰立方还是前两次实验，研究人员在这些数据中均发现了来自地面的高能中微子。最终，经过一番分析，研究人员在相应方向上没有找到任何的高能中微子源。
既然没有发射源，同时也不是设备问题，那真相似乎只剩下了一种——这里面存在某种超出标准模型的新物理！这下人们将目光重新投向了那些诡异的高能粒子。
从特征上来看，这些粒子就是标准模型中的粒子，唯一不一样的地方只是它们的运动方向恰好相反。于是，有人提出了一种可能：这些粒子的时间会不会是倒退的？
大家先别急着吐槽，“时间逆转”这个脑洞还真不是空穴来风，当年理查德·费曼就有过类似的观点。
费曼对现代量子力学可谓功不可没，他不仅发明了粒子物理中常用的费曼路径积分以及费曼图，并且还因对量子电动力学（QED）的贡献获得了1965年的诺贝尔物理学奖。杨振宁曾这样评价费曼：“他有着不同于常人的物理直觉，经常能洞察问题的本质。”
当年在思考反物质的问题时，费曼曾突发奇想：反物质与正常物质极为相似，仅仅是个别量子属性不同，比如拥有相反的电荷（如正电子）。如果把狄拉克方程中“时间”的正负号和“电荷”的正负号同时反转的话，方程依然是成立的。那这也意味着，正粒子可以视为拥有正的时间，而反粒子拥有负的时间。“负时间”意味着粒子的时间流逝是逆向的！也就是说，我们平时观察到的反粒子，其实它可能本质上仍然是正粒子，只不过它正在“回到过去”。
这也从一方面解释了“为什么宇宙中的物质都是正物质”，“当初大爆炸产生的反物质都去哪儿了”的问题。因为伴随大爆炸产生的是一正一反两个宇宙：一个是时间正向流逝的正宇宙，一个是时间逆向流逝的反宇宙。这两个宇宙相当于是两个时间相反的平行宇宙，它们原本互不相干，但是不知道什么原因我们偶尔能发现对方存在的迹象，比如反粒子以及南极洲的那些高能中微子。
这个解释靠不靠谱呢？根据计算，假如真的存在这种情况，那它出现的概率应该非常非常低，不太可能这么轻易地被我们反复探测到。而且“平行宇宙”这种猜想虽然有趣，但是过于另类。因为要想证明平行宇宙的存在，需要更多确凿的证据，而不仅仅是这种“蛛丝马迹”。所以，与其猜是平行宇宙，还不如猜它可能是反中微子。不过反中微子这个解释也有问题。因为反中微子和中微子一样，也应该有具体的发射源，而不是平白无故的出现。那这就又回到了一开始的问题——我们找不到发射源。
有没有可能问题不是出在中微子本身，而是在探测方式上呢？
目前几乎所有探测中微子的方式都不是直接探测中微子，而是通过间接方式。虽然中微子穿透性极强，但它还是有可能撞上原子核。当中微子与某些介质的原子核发生碰撞时会产生带电的次级粒子，这些次级粒子在介质中运动时会产生一种叫“切伦科夫辐射”的现象，该辐射的信号可以通过光电倍增管捕捉到。日本的超级神冈就是这类探测器的典型代表。此外南极的冰立方，包括中国正在建设的江门中微子实验室，它们的原理都大同小异。
所以呢，之前探测到的高能中微子，其实也是通过类似的方式。那会不会是这些次级粒子产生的某种现象导致了数据的异常呢？
你别说，还真有科学家提出了类似的想法。2019年，一篇发表于《物理学评论快报》上的文章中，作者认为，这些高能中微子产生的次级带电粒子，可能存在一种叫做“地磁场诱导电流产生的相干过渡辐射（CTR-GM）”的现象。这种辐射在特定条件下对宇宙射线空气簇射产生的电场有显著影响，它能够改变预期的电场脉冲形状，甚至使电场的极性反转。
该解释是目前不违背标准模型情况下给出的最合理的一种解释。其他的像是“惰性中微子”、“地球内部有某种特殊暗物质”之类的解释，虽然说比“反宇宙”的解释强那么一点，但是它们仍然存在太多假设。这些解释并不能说错，只能说目前的证据不足以支持这些解释。
需要注意的是，到目前为止，在粒子物理标准模型中，相较于其他基本粒子，中微子依旧有着许多未解之谜。就南极中微子异常事件而言，目前所有的解释（包括次级粒子的解释），都尚处于研究和探讨阶段。要确定最终的解释，还需要未来更多的实验数据以及更深入的研究。相信在未来的探索中，我们终将会解开中微子的重重谜团。
[1] Derek B. Fox, Steinn Sigurdsson et al. The ANITA Anomalous Events as Signatures of a Beyond Standard Model Particle, and Supporting Observations from IceCube. arXiv preprint arXiv:1809.09615 (2018) [2] Krijn D. de Vries and Steven Prohira. Coherent Transition Radiation from the Geomagnetically Induced Current in Cosmic-Ray Air Showers: Implications for the Anomalous Events Observed by ANITA. Physical Review Letters. 123(9). (2019) [3] Ibrahim Safa, Alex Pizzuto et al. Observing EeV neutrinos through Earth: GZK and the anomalous ANITA events. Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. (2020) [4] M. G. Aartsen, M. Ackermann et al. A Search for IceCube Events in the Direction of ANITA Neutrino Candidates. The Astrophysical Journal. 892:53. (2020) [5] The IceCube Collaboration. Detection of a particle shower at the Glashow resonance with IceCube. Nature 591, 220–224 (2021). |
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