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被嘲笑的项目和没人合作的科学家摘得2026诺贝尔物理学奖

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原文作者:Elizabeth Gibney & Davide Castelvecchi

Francis Halzen被授予2026年诺贝尔物理学奖,他对南极点中微子天文台所做的研究工作,帮助揭示了关于宇宙的奥秘。



10月6日,Francis Halzen被授予诺贝尔物理学奖,表彰其在中微子物理学领域的贡献。来源:Althea Dotzour/University of Wisconsin–Madison

比利时出生的物理学家Francis Halzen对来自宇宙深处的中微子的探测做出了杰出贡献,被授予2026年诺贝尔物理学奖。中微子是一种极难捕捉的高能粒子。

他的开创性贡献为一台大型探测器奠定了基础,这台探测器就是位于南极点的冰立方中微子天文台(IceCube Neutrino Observatory)。该天文台的观测结果推动建立了中微子天文学和多信使天文学领域,让物理学家得以通过观测来自深空的高能事件,解锁宇宙之谜。

Halzen就职于威斯康星大学麦迪逊分校,他将一人独揽1200万瑞典克朗(约合120万美元)的奖金,瑞典皇家科学院在10月6日宣布了这一消息。这是自1992年之后物理学奖再次颁给单人获奖者。

“这是个巨大惊喜,我完全没有想到能拿奖,”Halzen在宣布奖项后的诺奖媒体招待会上说道,“这个荣誉属于敢于和我一起做项目的同仁——当时没有一位出色的保守派物理学家愿意加入我,正因为有这么多杰出人士的付出,我今天才会出现在这里。”

在我们所处的宇宙中,中微子是排在光子之后、数量第二多的粒子。每秒有超过10亿个中微子穿过我们的手,然而,高能中微子非常非常少,而且极难探测到。冰立方的设计,能用于探测从宇宙中一些最高能环境飞来的中微子,如超新星爆发和γ射线暴。由于中微子能直接穿过物质,我们就能沿着它们笔直的轨迹追索到另一头的高能事件,这为研究人员提供了一种探究天体物理学现象的独一无二的方式。

Halzen被誉为“中微子天文学之父”,法国艾克斯-马赛大学的中微子物理学家、KM3NeT(立方千米中微子望远镜)发言人Paschal Coyle说。KM3NeT是地中海在建的一个同类大型天文台。



位于南极点的冰立方中微子天文台源自诺奖得主Francis Halzen的大胆构想。来源:Ilya Bodo, IceCube/NSF

遥望深空

尽管我们身边的中微子无处不在,但它们的探测难度极大,因为它们不受磁场影响,几乎不怎么发生反应。上世纪80年代,Halzen提出设想:在南极透明冰层向下钻孔,再将串成串的探测器下放至1.5千米处——这里没有太多干扰,当高速中微子撞击原子时,就能探测到那稀有而微弱的闪光。

Halzen从理论上推断,只要体积足够大,这种设计就能捕捉到中微子,而其路径就能揭示它们的来向,并“顺藤摸瓜”地找到它们在宇宙中的出处(见“中微子天文台”)。



冰立方中微子天文台有一个由5160个传感器组成的探测阵列,天文台于2011年完工,耗资2.71亿美元,由美国国家科学基金会出资。如今,冰立方合作组有逾450名研究人员。“经过15年的开发,再加上10年的建设,没人能保证我们会看到什么,”冰立方首席科学家Halzen在2025年告诉美国物理学会的APS news,“很多人认为我们什么都发现不了,但我们看到了。”

还不到两年,探测器就观测到了来自银河系外的极高能中微子。2013年,冰立方发表的结果[1]显示,有一群能量超高的中微子,其能量高到不可能在太阳系内产生,并由此开创了中微子天文学的新领域。

“我们最大的冒险,是当时没人知道这个立方千米探测器是否足够大,是否有能力探测到地球大气之外的宇宙中微子。但我们只用了两年就探测到了,”Halzen在诺奖发布会上表示。

“我们获得了来自其他星系超大质量黑洞的中微子的证据,它们极其明亮,以至于当你看着中微子天空时,你都看不到银河系了。”

2014年,冰立方发现了三个能量比以往都高的中微子,它们被命名为伯特(Bert)、厄尼(Ernie)、大鸟(Big Bird),它们的能级达到了“拍”电子伏(PeV,10的15次方电子伏),比地球上最先进粒子对撞机产生的粒子能量还要高出数千倍。三年后,冰立方合作组终于等到了一个高能中微子,并首次确定了它的源头——名为TXS 0506+056的遥远星系,这一发现常被称为“Texas事件”。



冰立方探测器埋在南极冰层深处——这里能过滤掉很多干扰——以捕捉高能中微子。来源:Yuya Makino, IceCube/NSF

后续观测显示,这个源头是个“耀变体”,耀变体是中心有一个超大质量黑洞、亮度会剧烈变化的激变星系。多个望远镜利用不同方法观测了这个耀变体,并在2018年的七篇论文中描述了这个来源。

灵魂人物

Halzen在1944年出生于比利时的蒂嫩,而后就读于比利时鲁汶大学。他是科班出身的粒子物理学家,曾在日内瓦近郊的欧洲粒子物理实验室CERN工作,1971年移居美国威斯康星州。

Halzen从1999年的冰立方首次提案开始便一直是首席科学家,他是整个项目“毫无争议”的灵魂人物,冰立方资深成员、德国慕尼黑工业大学的天体粒子物理学家Elisa Resconi说,Halzen的一大功劳在于,他推动的这个实验概念,曾被许多研究者视为“世界上最奇怪的事”。不光在南极,而是在南极点布设一台大型设施,其建造难度是可想而知的。



中微子物理学先驱Francis Halzen摘得2026年诺贝尔物理学奖。来源:Christine OLSSON/TT NEWS AGENCY/AFP via Getty

“他很有个人魅力,当他走进房间,所有人都会转过来看,”Resconi说。他还特别注重人才培养,能记得合作组每位成员的名字和学术背景。

Coyle等人指出,如此庞大的设施得以建成,Halzen功不可没。Coyle说:“他推动了从理论上预测中微子速度,以及它们的可能来源。”

“Francis是我认识的人中最谦虚低调的,”参与冰立方实验的德国波鸿鲁尔大学的天体粒子物理学家Julia Tjus说,“我第一次见他的时候还是个研究生,我那时就惊叹于他居然会秒回我的每一封邮件。20多年过去了,他现在还是会秒回。”

冰立方的影响

开创了中微子天文学领域后,冰立方如今不再“孤零零”地探测深空中微子了。其他天文台,从西伯利亚到地中海,正在将产生中微子的宇宙极端环境绘成地图。

中微子天文学还能帮助天体物理学家揭开宇宙线(主要是质子和原子核)的加速原因——它们抵达地球时的能量高得出奇,但它们的行进轨迹会发生偏折,不像中微子那样可以笔直指向源头。

2023年,冰立方实验向着这个目标又跨过了一个里程碑,其研究人员绘制的首个图谱显示了中微子如何“点亮”整个银河系。该图谱与弥漫γ射线一致,验证了预测这两类粒子产生于相同天体物理学现象的模型。

“他的奇思妙想——将南极冰层作为中微子望远镜——取得了巨大回报,”伦敦国王学院物理学家、顶级神冈(Hyper-Kamiokande,日本中部在建的一个中微子天文台)联合发言人Francesca Di Lodovico说。

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