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刚刚,诺贝尔物理奖一人独揽!

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Jay 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

刚刚,诺贝尔物理学奖公布。

这一次没有任何并列,得主只有一个人,来自美国威斯康星大学麦迪逊分校的Francis Halzen(弗朗西斯·哈尔岑)。

如果你不知道这个大学,你应该也会知道它有个知名的中国科技互联网领域的校友——

拼多多创始人,黄峥。


image.png

所以,Francis究竟为何获奖?

官方是这么说的:

表彰他对南极冰立方中微子天文台(IceCube)的决定性贡献,以及对天体物理起源高能中微子的发现。

具体而言就是,他把南极地下2000多米深处的1立方公里纯净冰层,硬生生改造成一台捕捉宇宙幽灵粒子的超级望远镜。。。

如今,南极洲甚至有一座高地,就是以他名字命名的,叫做Halzen Mesa。

为什么要在南极深冰里抓“幽灵”?

宇宙里一直有个困扰物理学界百年的终极谜题:那些能量高到离谱的宇宙射线,到底是从哪儿发射出来的?

宇宙中存在天然的粒子加速器,喷射出的质子能量比地球实验室里最强加速器还要高出上百万倍。但质子带电荷,在宇宙里飞奔时会被星际磁场扭得七荤八素,等落到地球,根本没人能分清它来自哪个方向。

怎么才能找到真正的源头?

物理学家把目光投向了中微子。

中微子是宇宙中最害羞的粒子,不带电、质量微乎其微。每秒钟都有650亿个来自太阳的中微子穿过你的大拇指指甲盖,你却完全感觉不到。

高能质子加速的地方往往会伴生高能中微子。中微子不带电,不受磁场干扰,也不会被星际尘埃阻挡,就像一根笔直的标靶,直接指向宇宙深处的发源地。

但怎么抓它呢?

中微子偶尔会跟原子核撞上,产生带电粒子并发出极其微弱的蓝光。只要介质足够透明、体积足够大,就能用光敏传感器把它的轨迹记录下来。

深海虽然透明,但里面有活蹦乱跳的生物发光,还有洋流干扰。Halzen在1980年代提出了一个大胆的想法:去南极,用天然冰层!


An illustration of a high-energy neutrino passing through ice.

用热水融出2.5公里深井,造出1立方公里冰下巨眼

在冰天雪地的南极抓粒子,听起来像天方夜谭。

南极深处的冰层完全处于黑暗之中,没有海洋生物捣乱,地质结构极其稳定,没有地震干扰。唯一让人头大的问题是:在两千多米厚的冰川里,怎么把传感器塞进去?

研究团队想出了一个极其硬核的办法——用特制的高温热水钻头,把南极冰层融出一条条深达两千多米的深孔,然后把挂满光敏传感器的电缆迅速沉入冰水里。

Halzen把这些传感器形容为反向灯泡:它们不负责发光,只负责捕捉微弱的光信号并转化为电信号。

早期的先导实验AMANDA刚启动时,大家心里都在打鼓。浅层冰里全是微小气泡,光线一打进去就被散射得七零八落。

但当钻头下潜到1400米以下时,神了——高压把气泡全部压碎挤出,下面的冰层纯净透明到令人惊叹。中微子碰撞产生的蓝光,在冰里甚至能传播300米远才被吸收!

验证可行后,IceCube正式开工。

到2011年完工时,整个IceCube已经深埋在南极冰下1450到2450米之间,由86根电缆、5160个光学传感器组成,把整整1立方公里的天然冰川变成了一台史无前例的中微子望远镜。


Illustration: An observatory in the ice

捕获宇宙幽灵,开启天文学全新大门

有了这台巨型望远镜,寻找来自深空的信号依然像大海捞针。

每天有超过上亿个来自南极上方大气的宇宙射线粒子穿过探测器,还有数百个来自地球另一端大气的中微子穿透地壳而来。

要在海量背景噪音里筛选出真正来自遥远宇宙的高能中微子,数据处理难度太恐怖了。

2013年,IceCube团队终于宣布,首次明确捕捉到了来自太阳系以外的高能宇宙中微子。这项突破直接拿下了当年的《Physics World》年度突破大奖。

随后几年里,关键证据接连出现:

科学家在活跃星系NGC 1068(M77)方向记录到了79个中微子候选信号,锁定了潜在的极端天体源头。

2023年,IceCube团队首次绘制出了银河系平面的高能中微子图像,让人类第一次透过中微子这双眼睛看到了银河系的全貌。


Illustration: Messengers from space

天文学在经历可见光、射电、X射线、引力波之后,高能中微子天文学的大门被彻底推开了。

诺奖得主其人:从强子物理到冰下造望远镜

这位单人独揽诺贝尔物理学奖的物理学家Francis Halzen,今年82岁。


image.png

他1944年出生于比利时蒂嫩,1969年在比利时鲁汶大学(KU Leuven)获得博士学位,早年主要研究夸克构成的重粒子和强子物理中的对称性破缺。

完成博士后研究后,他前往美国威斯康星大学麦迪逊分校,并从1972年起长期在此任教,担任物理系教授。

他与他人合著的经典教材《Quarks and Leptons》,陪伴了全球几代粒子物理学子的成长。

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