2026物理诺奖时隔34年一人独揽，他把一立方千米的南极冰变成了望远镜

2026年诺贝尔物理学奖授予美国理论物理学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），以表彰他对冰立方（IceCube）中微子天文台的杰出贡献，以及对源自天体的高能中微子的发现。

这是诺贝尔物理学奖历史上第五次嘉奖中微子研究，也是继1992年之后，时隔34年再次因中微子研究授予单一获奖者。此前四次中微子相关诺奖分别为：1988年发现μ子中微子，1995年首次实验探测中微子，2002年关于宇宙中微子和太阳中微子探测，以及2015年发现中微子振荡。

与此前几次主要聚焦中微子本身的性质和基本粒子物理不同，哈尔岑的工作将中微子发展成为一种全新的宇宙探测工具。1988年，弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）首次提出了在南极捕获中微子的设想。IceCube利用埋设在南极约1立方千米冰层中的数千个光学探测器，捕捉极高能中微子与冰中原子核相互作用产生的微弱闪光，从而追踪遥远宇宙中的高能粒子源。委员会认为，这项工作开辟了“中微子天文学”这一全新研究领域，为揭示宇宙极端天体和高能宇宙线起源提供了前所未有的观测手段。

“弗朗西斯·哈尔岑带领一个由研究人员和工程师组成的国际团队，为我们打造了一台非凡的科学仪器。他的坚持不懈和科学远见，为一种全新的天文学开辟了道路。”诺贝尔物理学奖委员会主席马克·皮尔斯（Mark Pearce）表示。IceCube持续记录的中微子相互作用事件，将帮助研究人员深入了解极高能中微子产生时所处的剧烈天体环境，并有望揭示此前未知的宇宙现象。

中国科学院国家天文台研究员陈学雷表示，“授予领导lceCube中微子天文台的Halzen，稍稍出人意料，因为中微子天文已拿过奖且目前并非最热门，但确实也是出色的工作!”

清华大学物理系楼宇庆教授对《返朴》表示：“我自己这些天正好正在带学生研究高能中微子的天体物理起源，包括IceCube和地中海KM3Net。几天前还与同事探讨过此事。KM3Net探测到的中微子最高能量比IceCube的要高一个数量级，极为罕见。但可能由于诺奖更重视开创性，它开辟了天体物理高能中微子窗口。人类能探测到来自宇宙的远高于PeV的高能中微子是非常伟大的，其起源涉及宇宙和天体物理许多前沿问题和猜测，很多不甚清楚，有待全方位深入研究。这次诺奖开了先河。”

中国科学技术大学教授蔡一夫对《返朴》表示：“IceCube天文台实现了高能天体物理的高能中微子的探测发现，打开了全新的宇宙信使观测窗口，为破解高能宇宙线起源、极端天体活动等重大科学难题提供了独一无二的观测手段。中国在反应堆中微子和高能宇宙射线领域都取得标志性突破，大亚湾、江门、拉索等实验实现高精度测量，夯实了粒子物理层面的中微子研究基础，与冰立方侧重高能天体中微子探测形成良好互补。”

弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），1944年出生于比利时蒂恩。1969年在比利时鲁汶大学获得博士学位。现为美国威斯康星大学麦迪逊分校的教授。

南极点的冰层揭示宇宙粒子加速器

弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）为一种全新的天文学奠定了基础。他的想法是，利用南极点的冰层，捕捉一种行踪隐秘的粒子——中微子。这一构想最终促成了冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）的诞生，使人们能够追踪来自遥远宇宙的中微子。

中微子是宇宙中最“害羞”的粒子，不带电，质量极小。通常，它会悄无声息地穿过物质；只有在极少数情况下，中微子才会撞上一个原子核，让人察觉到它的存在。每秒钟，都有650亿个来自太阳的中微子穿过你的小指指甲，而你毫无感觉。

中微子也来自太空中的其他区域，携带着解开某些宇宙谜团的线索。如果研究人员能够捕捉到这些更罕见的宇宙中微子，就能从中获取信息，了解它们诞生之处的极端宇宙环境。

图1

早在20世纪80年代，哈尔岑就意识到，南极冰层可能是捕获这些隐秘中微子的理想介质。只要捕获的数量足够多，研究人员就能进一步了解它们遥远的起源地。他很快便让许多人相信，这一构想大有潜力。1992年，一群锲而不舍的研究人员和工程师开始尝试将光传感器下放到南极点的冰盖中。大约20年后，突破终于到来：冰立方中微子望远镜记录到了一些中微子，它们的特征让研究人员确信，它们来自遥远的宇宙。寻找宇宙中微子源的工作由此正式展开。

粒子物理学与天体物理学的交汇

哈尔岑在比利时长大。20世纪60年代，粒子物理学取得的一系列进展吸引他进入这一领域。起初，他研究的是由夸克构成的大质量粒子。获得博士学位后不久，他前往美国威斯康星大学麦迪逊分校。后来，他逐渐认识到，来自太空的粒子能为粒子物理学带来怎样的启示，而粒子物理学又能如何反过来帮助天体物理学。

寻找中微子的动机，来自对另一类截然不同的粒子的观测。宇宙中不断有一类统称为“宇宙线”的粒子穿行。这些粒子通常是质子，也就是氢原子失去电子后留下的裸原子核。来自太空的质子有时携带着惊人的能量，远远超过地球上的粒子加速器所能赋予它们的能量。

能量最高的宇宙线究竟来自何处，一直是宇宙中最隐秘的谜团之一。物理学告诉我们，能够将质子加速至高能量的过程，也会产生高能中微子。因此，中微子可以提供关于这些宇宙粒子加速器的关键线索。

如果能够识别出携带极高能量的中微子，研究人员就能将它们与能量低得多的中微子区分开来。后者来自放射性物质的衰变、太阳，或宇宙线撞击地球大气层的过程。那些并非诞生于我们周围的中微子，必定来自非常遥远的地方——可能来自恒星爆炸区域的剧烈过程，也可能来自遥远的活动星系。

冰层中的闪光

20世纪80年代，哈尔岑研究宇宙粒子时，听说苏联研究人员计划在南极洲使用无线电接收器捕捉中微子信号。他们的设想是，当中微子与冰中的原子核发生碰撞时，会产生粒子簇射，进而发出无线电波。如果信号足够强，就能用无线电天线接收到。哈尔岑从中受到启发，意识到还可以采用另一种方法：在冰层中安装光传感器，寻找这些碰撞产生的闪光。

早在1960年前后，就有几位物理学家提出，水可能是捕捉宇宙中微子的理想材料。中微子偶尔会撞上一个原子核，产生一个带电粒子；这个带电粒子随后沿着原先中微子的运动方向前进，并发出蓝光。水是透明的，因此这种光可以被探测到。借助合适的设备，人们可以确定光传播的方向，甚至追溯中微子来自何处。最关键的是，水体必须足够大，才能观测到大量中微子碰撞留下的信号。

哈尔岑的想法，是使用自然形成的冰来代替水。他联系了同行约翰·G.勒尼德（John G. Learned）。勒尼德当时正在参与DUMAND项目，这也是一个类似的项目，旨在利用夏威夷附近深邃而清澈的海水，捕捉中微子发生相互作用时产生的光信号。两位物理学家一起讨论了在南极洲捕捉中微子的机遇与挑战。1988年，他们在波兰的一次会议上，首次提出了在南极点冰层中建造中微子天文台的构想。

南极点的中微子望远镜

弗朗西斯·哈尔岑意识到，将中微子天文台建在地理南极点有许多优势：那里已经有一座科学考察站，有定期运输保障，也具备科研团队开展工作所需的各种条件。

冰本身也有许多优点。在足够深的地方，黑暗始终如一。与海洋不同，冰中没有生物造成的干扰，放射性物质的含量也很低。冰层稳定，还能为在设施中工作的人提供坚实的工作场地。当地地质稳定，地震极少。

一个不利条件是，严寒使得一年中的大多数时候都无法往返南极点。所有现场工作都必须在短暂的南极夏季，也就是11月至次年2月之间完成。

起初，哈尔岑满足于从事理论工作，而勒尼德忙于自己的项目，此后再未回头推进两人关于在南极点捕捉中微子的理论构想。故事本可能就此结束。然而，这个想法引起了广泛兴趣，几年之内，来自不同机构的研究人员便聚集到哈尔岑周围，着手将他在南极洲建造中微子天文台的构想变为现实。

首先，他们必须解决将仪器安放到冰层深处所涉及的各种实际问题。他们从冰川学家那里得知，可以使用一种类似精密淋浴喷头的装置，用热水融化冰层，钻出深达一千米的孔洞。随后，就可以将挂有成串光传感器的长缆线，下放到充满水的孔洞中。哈尔岑将这些传感器比作功能与灯泡相反的装置：它们捕捉光，再将光转化为电信号。

冰中的气泡可能带来麻烦

研究团队首先在格陵兰岛进行试验，将传感器下放到冰层中，检验它们能否记录冰中粒子发出的光。随后，他们开始在南极点建造第一座中微子天文台，也就是冰立方的前身：AMANDA。

哈尔岑曾回忆，1993年平安夜，他坐在餐桌旁，把电脑放在膝上，等待一条消息：第一条挂载光学模块的缆线，是否已经成功安装到冰层中。

冰层上部充满气泡，会将光散射到不同方向，使粒子运动的信息变得模糊，因此最初的尝试令人失望。不过，研究人员随后发现，在超过1400米的深处，冰竟然极其纯净、透明。在那里，由中微子引起的闪光可以传播300米才被吸收，远远超出所有人的预期。这个中微子项目还带来了一项额外收获：研究人员由此深入了解了不同深度冰层的性质。

AMANDA的建设一直持续到2000年1月。所有设备都按预期运行，但它还不足以探测来自宇宙粒子加速器的高能中微子。这项任务需要更大的体积，于是冰立方的建设开始了：在一立方千米的冰中布设光传感器。2011年，冰立方达到完整规模，共有5160个光传感器，分布在86条缆线上。

多年来，哈尔岑一直发挥着推动作用，先是AMANDA，后来是冰立方。作为一名专注而热忱的项目负责人，他推动这些项目从最初的构想走向实际测量，最终取得科学成果。

图2 冰层中的天文台

冰立方由一立方千米的冰体和一座地面建筑组成。冰体中的长缆线上装有光传感器，地面建筑负责收集来自冰中的信号，再通过卫星传送数据以供分析。

粒子与光：抵达冰立方的大多数中微子都会直接穿过，不留下记录。少数中微子会撞上原子核，产生能够被捕捉和分析的光。三种中微子会在冰立方中形成不同的图样。电子中微子或陶中微子与原子核碰撞时，会产生粒子簇射，照亮碰撞点周围的区域。缪中微子发生碰撞时，除了产生簇射，还会产生一个缪子，在冰中留下长长的光迹。

光学模块：捕捉光的传感器装在玻璃外壳中，朝向下方。外壳中还装有电子器件，在信号发送到地面之前对其进行处理。这一整套装置称为光学模块。

冰立方终于找到宇宙中微子

像冰立方这样的中微子天文台，探测到的并不只有研究人员正在寻找的中微子。宇宙线进入地球大气层后，会产生各种背景信号，宇宙中微子必须从这些背景中被辨认出来。其中一些粒子能够穿透冰层，抵达位于冰面下1450至2450米深处的传感器。每天，冰立方都会记录到超过一亿个来自南极洲上空大气层的此类粒子。宇宙线也会在大气中产生中微子，其中每天有数百个从北半球穿过整个地球，抵达冰立方。

为了找到宇宙中微子，研究人员必须筛选出中微子在冰中发生相互作用的特定事件。即使无法完全确定某一个中微子是否来自地球之外，他们仍然可以将筛选出的全部事件放在一起分析，判断这些事件的整体特征是否符合对宇宙中微子的预期，并且有别于大气中微子。2013年，研究团队首次报告了支持他们确实找到宇宙中微子的证据。大约两年后，他们积累的数据已经足够多，能够确信这一发现。

研究人员希望从宇宙中微子中了解什么？

早在20世纪60年代，中微子天文学就已初露端倪。当时，小雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr）观测到了来自太阳的中微子。后来，小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）领导的日本神冈中微子天文台研究团队确认了这一结果：他们能够确定中微子的运动路径，追溯其来源。

1987年，神冈探测到了一阵中微子爆发，并将其与一颗正在爆炸的恒星联系起来。这颗超新星位于我们的邻近星系——大麦哲伦云中。美国和苏联在同一时间进行的中微子测量，很快为这一发现提供了补充证据。

戴维斯和小柴昌俊凭借这些突破，获得了2002年诺贝尔物理学奖。他们的工作表明，可以利用中微子研究太空中的现象。

不过，还有一个问题没有解决：戴维斯捕捉到的中微子数量，只有根据太阳内部反应计算出的预测值的三分之一。后来人们发现，原因与中微子存在三种类型有关。物理学家了解到，中微子能够转变类型：一个中微子诞生时属于某种类型，抵达地球上的仪器时，却可能已经变成另一种类型。而要观测这些转变了类型的中微子，需要采用与戴维斯不同的技术。日本和加拿大开展的实验揭示了中微子的这一特性，梶田隆章（Takaaki Kajita）和阿瑟·B.麦克唐纳（Arthur B. McDonald）因此获得了2015年诺贝尔物理学奖。

由此，中微子帮助物理学家验证了他们关于太阳内部过程，以及超新星内部事件的模型。冰立方的构想，是将中微子天文学推进到一个新的层次。研究人员希望，中微子能为那些隐藏在尘埃云后的天文现象提供信息，或帮助我们了解极其遥远的天体——来自这些天体的其他形式的辐射，已经在漫长的旅途中消失。他们的目标，是获得其他任何方法都无法获取的知识。

与质子相比，中微子的一个优势是不带电。带电的质子穿越太空时，其路径会被沿途的磁场偏转，因此无法根据它们抵达时的方向追溯其起源。然而，使质子加速的过程也会产生中微子，而中微子不受磁场影响。因此，沿着最高能中微子的运动路径反向追溯，应当有可能确定宇宙线中的质子究竟是在何处被加速的。

来自宇宙中最剧烈过程的另一类信使是伽马射线。它们穿越太空时，也会因与光和物质相互作用而衰减，中微子则不受这些影响。

图3 来自太空的信使

太空中存在能够释放巨大能量的天体。某些过程会使粒子加速，有时能赋予粒子的能量达到地球实验所能实现的一百万倍。这些剧烈事件产生不同类型的辐射，它们抵达我们这里，如同信使一样，携带着关于其产生过程的信息。中微子的特性使它们能够揭示其他辐射无法提供的、有关宇宙粒子加速器的信息。

宇宙线（Cosmic rays）：从太空抵达地球的原子核，最常见的是由一个质子（p）构成的氢原子核。由于它们带电，路径会受到太空中磁场的影响，因此无法据此看出它们来自哪里。

伽马射线（Gamma radiation）：伽马射线（γ）是能量远高于可见光的光。有迹象表明，一些宇宙粒子加速器隐藏在能够阻挡伽马射线的物质后面。伽马射线在太空中传播时，也可能因与其他光发生相互作用而损失能量。

中微子（Neutrinos）：赋予质子高能量的过程，也会产生高能中微子（ν）。同样的粒子反应还会产生伽马射线。中微子不受磁场影响，因此可以沿其运动方向反向追溯来源。宇宙尘埃和辐射也不会将它们挡住。

期待更多成果

一个重要目标，是确定具体的天体中微子源。冰立方已经找到几个潜在来源，其中之一是活动星系NGC 1068，也称M77。在冰立方记录到的中微子中，有79个似乎来自这个星系的方向。然而，这些证据还不够有力，尚不足以最终认定NGC 1068是一个中微子源。传感器捕捉到的中微子越多，就越有可能找到它们的起源。

近年来，冰立方的研究人员还观测到了来自我们所在星系——银河系——的高能中微子。他们认为，这些中微子是宇宙线与恒星之间稀薄气体中的原子碰撞时产生的。

随着其他研究团队沿着冰立方开辟的道路继续前进，未来几年，我们一定还会听到许多有关中微子天文学的消息。北半球还有几座中微子望远镜，正处于不同的建设阶段；它们使用的介质是水。20世纪80年代启发哈尔岑的DUMAND项目于1995年结束，但它积累的经验延续到了许多其他项目中，例如贝加尔湖、地中海、中国南海以及加拿大西海岸外海的项目。与此同时，冰立方仍在持续捕捉中微子。南极点的下一轮扩建目前正在规划中，冰立方第二代项目（IceCube-Gen2）将覆盖惊人的八立方千米冰体。

本文译自诺贝尔奖官方，原文地址

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2026/popular-information/