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诺贝尔物理学奖给到中微子天文学,IceCube之父Francis Halzen独享

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刚刚,2026 年诺贝尔物理学奖揭晓,比利时粒子物理学家Francis Halzen获奖。



瑞典皇家科学院表示,此次授奖旨在表彰 Francis Halzen 对 IceCube 中微子天文台(IceCube Neutrino Observatory)作出的决定性贡献,以及发现了源自天体物理过程的高能中微子。

他是今年唯一的物理学奖得主。

Francis Halzen 为一种全新的天文学观测方式奠定了基础。他的设想是,利用南极的冰川冰层来捕捉一种极难探测的粒子:中微子

这一构想最终催生了IceCube 中微子天文台。借助这一设施,科学家能够追踪来自遥远宇宙的中微子,从而以一种全新的方式观测宇宙。



Francis Halzen 出生于比利时,在今天的鲁汶大学(KU Leuven)获得硕士和博士学位,1972 年起任教于威斯康星大学麦迪逊分校。他本人是一名理论物理学家,粒子物理教科书《Quarks and Leptons》至今仍被高校广泛使用。按他自己的说法,他原本从未打算做这类实验,投身其中多少带点偶然。

上世纪 80 年代中期,他与博士后 Enrique Zas 开始研究建造中微子望远镜的可能性,而他的关键洞见在于:南极冰层本身就可以用来追踪中微子

「幽灵粒子」

宇宙中最多、也最难捉住的物质粒子

中微子的故事始于一笔「对不上的账」。20 世纪 20 年代,物理学家在研究原子核的 β 衰变时发现,衰变放出的电子能量并不固定,总有一部分能量凭空「消失」了,能量守恒定律似乎岌岌可危。

1930 年,泡利提出了一个大胆的补救方案:衰变中还放出了一种不带电、质量极小的粒子,悄悄带走了这部分能量



几年后,费米在此基础上建立了β 衰变理论,并给这种粒子起名为「neutrino」,在意大利语里是「中性的小家伙」的意思。

这个预言等了二十多年才得到证实。1956 年,Clyde Cowan 和 Frederick Reines 在美国萨凡纳河核反应堆旁,借助反应堆源源不断产生的反中微子,首次直接探测到了中微子,Reines 后来因此分享了 1995 年诺贝尔物理学奖。

此后人们逐渐认识到,中微子有电子中微子μ 中微子τ 中微子三种,它们在飞行途中还会相互转化,这就是「中微子振荡」。振荡的存在意味着中微子具有微小但不为零的质量,Takaaki Kajita 与 Arthur McDonald 因这一发现获得了 2015 年诺贝尔物理学奖。

中微子是宇宙中数量最多的物质粒子。仅太阳核聚变产生的中微子,每秒穿过地球上每平方厘米面积的就有约 600 多亿个。此时此刻,正有数以万亿计的中微子穿过你的身体,而你毫无察觉。原因在于中微子不带电荷,不参与电磁相互作用和强相互作用,几乎只通过弱相互作用与其他物质打交道。对于太阳中微子这类能量较低的中微子来说,平均要穿过大约一光年厚的铅,才有可能被拦下一次。

幽灵粒子」的外号由此而来。



为什么要用中微子看宇宙

正是这种几乎不与任何东西发生作用的「性格」,让中微子成了天文学家梦寐以求的信使。

人类观测宇宙的传统手段是光,从可见光一路扩展到射电、X 射线和伽马射线。但光有它的局限。它会被星际尘埃和天体自身的致密物质遮挡,我们往往只能看到天体的「表皮」,而看不到其内部最剧烈的核心区域。能量越高的伽马射线,越容易在长途飞行中与宇宙背景辐射中的光子相撞而湮灭,因此遥远宇宙中最高能的过程很难用光看清。

另一类高能信使是宇宙线,即从太空飞来的高能质子和原子核。它们早在一个多世纪前就已被发现,但由于带电,宇宙线会在星系磁场中被反复偏折,抵达地球时方向早已被打乱,人们无从判断它们来自哪里。宇宙线的起源因此成了天体物理学中悬置最久的谜题之一。

中微子恰好弥补了这两者的短板。它不带电,不会被磁场偏折;它几乎不被吸收,可以从宇宙深处、从被厚厚物质包裹的天体核心笔直地飞到地球,忠实地指向自己的诞生地。更关键的是,高能中微子与宇宙线是一对「孪生兄弟」:当宇宙线中的质子在源头附近撞上物质或光子时,会产生 π 介子,π 介子衰变便会放出高能中微子。因此,找到高能中微子的来源,几乎就等于找到了宇宙线的加速器。



问题在于,一个几乎不与物质作用的信使,同样意味着极难捕捉。要截住穿墙而过的幽灵,只能靠数量取胜:准备足够庞大的探测介质,然后耐心等待极少数中微子恰好撞上其中的原子核

难在哪里:在海量背景中捕捉寥寥几次闪光

即便中微子真的撞上了原子核,探测器也看不到中微子本身,只能看到它留下的「作案痕迹」。碰撞会产生带电的次级粒子,比如由中微子转化而来的 μ 子,或者一团粒子簇射。当这些带电粒子在水或冰中的速度超过光在该介质中的传播速度(在冰中约为真空光速的四分之三)时,会沿途发出一圈淡蓝色的光锥,这就是切伦科夫辐射,其原理与超音速飞机产生音爆颇为相似。通过记录这些光到达不同传感器的先后时间和强弱,就能反推出次级粒子的方向和能量,进而还原中微子的来向。

这里至少有三重难度。

第一重是规模。到达地球的高能宇宙中微子通量极低,理论估算早已表明,要想以有意义的速率捕捉到它们,探测器的体积需要达到立方千米量级,这远远超出任何人造水箱或地下实验室的尺度。

第二重是背景。宇宙线轰击地球大气层时,会产生大量 μ 子从头顶倾泻而下,其数量比中微子事例多出约百万倍 ;大气层中还会产生所谓的「大气中微子」,它们是货真价实的中微子,只不过诞生在地球附近,与来自宇宙深处的信号混在一起。为此,中微子望远镜通常要建在地下深处或深水中,以上方的岩层、海水或冰层作为屏蔽。IceCube 还会特别留意那些「自下而上」穿过探测器的径迹,因为能从地球另一侧穿过整个地球而来的,只可能是中微子,地球本身就成了一道天然的过滤器。至于大气中微子,则要依靠能量分布等统计特征,才能把能量更高的宇宙中微子从背景中甄别出来。

第三重是介质。探测介质不仅要大,还必须足够透明、黑暗和稳定,切伦科夫光才能传得够远,被稀疏布置的传感器记录下来。此前已有团队尝试在深海和湖泊中布置探测器,但在大洋深处施工、维护数千个传感器,工程难度可想而知。

Halzen 把目光投向了南极。南极点下方的冰盖厚近 3 千米,深处终年漆黑,冰体纯净而稳定,这本身就是一块现成的、取之不尽的探测介质。



在南极冰下「钓」中微子

Halzen 的方案是直接把南极冰盖变成探测器:在冰中钻孔、埋入光学传感器,捕捉中微子与冰作用后产生的微弱切伦科夫光。



方案的推进并非一帆风顺。上世纪 90 年代,团队在南极冰中建起了第一代探测器 AMANDA,起初的结果却令人沮丧:浅层冰中残留的气泡会严重散射切伦科夫光,几乎让信号无从分辨。后来团队把探测器下放到更深处,发现那里的冰透明度远超预期,难题才得以化解。施工上,团队设计了一套热水钻,用高温水流在冰盖中融出深孔,再把串在电缆上的传感器放入其中,待孔中的水重新冻结,传感器便被永久封存在冰里。

这条路走了很久,先是用将近十年打磨方案并建成原型探测器 AMANDA 验证可行性,随后为 IceCube 争取经费花了五年,建造又用了十年。

最终,南极点科考站下方一立方千米的天然冰体被改造成了粒子探测器,探测深度在冰面以下 1.5 千米,是世界上第一个吉吨级中微子探测器



2010 年 12 月,IceCube 的最后一根探测串被放入冰中;2011 年 5 月,IceCube 开始全阵列物理运行。整个阵列由 86 根探测串、5000 多个篮球大小的数字光学模块组成,传感器分布在冰面以下约 1450 米至 2450 米之间 。



不同类型的中微子在冰中会留下不同的「指纹」。

μ 中微子产生的 μ 子可以在冰中穿行很远,留下一条长长的径迹,方向定位较为精确;电子中微子和 τ 中微子则多产生近乎球形的粒子簇射,能量测得较准,方向却相对模糊。两类信号互相补充,前者适合「指路」,后者适合「称重」。



「中微子天文学是存在的」

获奖成果的核心,是 IceCube 证实了宇宙中确实存在来自天体物理源的高能中微子。

在全阵列采集两年数据之后,IceCube 发现了来自银河系外的高能中微子,这一成果被评为 2013 年《物理世界》年度突破。当时,团队从海量大气背景中筛选出 28 个高能事例,其中两个能量约为 1 PeV(千万亿电子伏特)的事例还被研究者昵称为「Bert」和「Ernie」。Halzen 在演讲中常用一句话概括其意义:「中微子天文学是存在的」。此后的问题是这些中微子从哪里来。



2017 年 9 月,IceCube 探测到一颗来自耀变体 TXS 0506+056 方向的高能中微子,这是高能宇宙线源的首个证据,也是一次典型的多信使天文观测:IceCube 在探测到事例后迅速向全球发出警报,伽马射线望远镜随即发现该方向的耀变体正处于活跃的耀发状态。之后 IceCube 又相继在旋涡星系 NGC 1068(2022 年)和银河系盘面(2023 年)方向发现了中微子辐射的证据。有意思的是,与可见光下璀璨的银河不同,银河系在中微子天空中并不是最显眼的存在。

这些结果为所谓「宇宙加速器」的位置提供了线索,而这些天体同样被认为是一个多世纪前发现的宇宙线的来源,让困扰物理学界百余年的宇宙线起源之谜有了实质性进展。

除天文学外,IceCube 也在做基础粒子物理研究。例如它捕捉到一颗来自河外的反中微子通过「格拉肖共振」与冰相互作用,这一现象早在 1960 年就由 Sheldon Glashow 预言。Halzen 的目标不止于此,他希望在极高能区找到偏离标准模型中微子物理的迹象。

当然,这些发现绝非 Halzen 一人之贡献,而是包含许多国家和机构研究者的共同努力。据介绍,IceCube 合作组已有来自 14 个国家、58 家机构的 450 多名研究者。



下一步:给地球装上一张中微子「天网」

并且,一个全球性的中微子观测网络也正在规划中。

IceCube 自身仍在升级,而单台望远镜的视野受其所处地理位置限制,捕获宇宙中微子的速率也依然很低,许多问题仍受困于统计量不足。

为此,在北半球,地中海的 KM3NeT 和贝加尔湖的 Baikal-GVD 正在边建设边观测,其中 KM3NeT 已报告了首个能量超过 100 PeV 的天体物理中微子事例;加拿大太平洋沿岸 Cascadia Basin 的 P-ONE 和南极点的下一代探测器 IceCube-Gen2 计划在 2030 年代投入使用;中国在南海规划的 TRIDENT(海铃计划)和 NEON,以及选址可能在贝加尔湖的 HUNT,则瞄准 2040 年代。研究者已提出名为 PLEνM(Planetary Neutrino Monitoring network)的联合分析设想,希望把这些分布在全球各地、原理与 IceCube 相同的望远镜组织起来,实现对全天的均匀覆盖。



从泡利笔下一个「挽救能量守恒」的假想粒子,到南极冰下一立方千米的望远镜,中微子花了近一个世纪,才从物理学的配角变成观察宇宙的新窗口。至于这扇窗口后面还藏着什么,Halzen 曾说过,如果现在就能告诉你我们将会学到什么,那结果反而会令人失望。

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