刚刚，2026年诺贝尔物理学奖颁给了研究高能中微子的他 | 内附官方解读

一年一度的诺贝尔物理学奖拉开帷幕！

就在刚刚

2026年诺贝尔物理学奖揭晓

今年的诺贝尔物理学奖颁给了

Francis Halzen

以表彰其“对冰立方中微子观测台的决定性贡献，以及发现具有天体物理起源的高能中微子”

“for decisive contributions to the IceCube Neutrino Observatory and the discovery of high-energy neutrinos of astrophysical origin”

大家好！这里是202 6 年又又又 毒奶 的物理所诺奖小分队，今年我们虽然广撒网，但是依旧没有预测对

但是，你以为我们真的一点都没猜中吗？不不不！

请看我们最近一期的正经玩：

这也算蒙对了一半吧！

你以为这就结束了？当然不是！在这里，我们奉上一份加班加点熬制的“诺奖解析”高汤——诺贝尔物理学奖官方解读：

2026年诺贝尔物理学奖

南极冰层揭示宇宙中的粒子加速器

弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）为一种全新的天文学奠定了基础，他提出，利用南极点的冰川冰，捕获一种神秘宇宙粒子——中微子。这一构想最终促成了冰立方中微子天文台的建成，进而能够追踪来自遥远宇宙的中微子。

中微子是宇宙中最没“存在感”的粒子，不带电荷，质量几乎为零。通常，它会悄无声息地穿过物质；只有极少数情况，它才会与原子核相碰，让我们察觉到它的存在。每秒钟，都有650亿个来自太阳的中微子穿过你手指的指甲，而你却毫无察觉。

中微子也来自宇宙的其他区域，携带着解开某些宇宙谜团的线索。如果研究人员成功捕获到这些更为稀少的宇宙中微子，就能从中获取信息，了解它们诞生之处的极端宇宙环境。

中微子与冰立方

早在20世纪80年代，哈尔岑就意识到，南极冰层可能是捕捉这些难以捉摸的中微子的理想介质。并且只要捕捉到足够多的中微子，研究人员就能进一步了解它们在遥远宇宙中的来源。他很快说服了众人，使他们认识到这一构想的巨大潜力。1992年，一群坚持不懈的研究人员和工程师首次尝试，将光传感器放到南极点的冰川之中。大约二十年后，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，这些粒子来自遥远的宇宙区域。寻找宇宙中微子源的工作由此真正展开。

粒子物理学与天体物理学相遇

哈尔岑在比利时长大。20世纪60年代，粒子物理学取得的进展吸引了他。最初，他专注研究由夸克构成的、质量较大的粒子。博士毕业后不久，他来到美国威斯康星大学麦迪逊分校。后来，他逐渐认识到，从宇宙抵达我们的粒子能够为粒子物理学提供哪些信息，也认识到天体物理学如何反过来受益于粒子物理学。

寻找中微子的动机，来自对另一类完全不同的粒子的观测。宇宙中持续有一类统称为“宇宙线”的粒子穿行。这些粒子通常是质子，也就是不带电子的氢原子核。来自宇宙的质子有时会以惊人的高能量抵达我们这里，远远超过地球上的粒子加速器所能赋予它们的能量。

这些能量极高的宇宙线来自哪里，一直是宇宙中最深藏不露的秘密之一。物理学告诉我们，能够把质子加速到高能量的过程，也会产生高能中微子。因此，中微子可以为了解这些宇宙粒子加速器提供关键线索。

如果成功识别出携带巨大能量的中微子，就能把它们与能量低得多的其他中微子区分开来。后者可能来自放射性物质的衰变或太阳，也可能产生于宇宙线撞击地球大气层的过程。那些并非来自我们周围环境的中微子，必定来自非常遥远的地方，也许来自恒星爆炸区域中的剧烈过程，或遥远的活动星系。

冰中的闪光

20世纪80年代，哈尔岑在研究宇宙粒子时，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。这一构想是：当中微子与冰中的原子核碰撞时，会产生电火花，进而发出无线电波。如果无线电波足够强，就可以用无线电天线接收。哈尔岑从中受到启发，并意识到，还可以采用另一种方法：在冰川冰中安装光传感器，寻找碰撞产生的闪光。

此前，在1960年前后，已有几位物理学家提出，水可能是捕捉宇宙中微子的良好介质。在极少数情况下，中微子会与原子核碰撞，产生一个带电粒子。这个粒子随后沿原中微子的方向运动，并发出蓝光。由于水是透明的，这些光可以被探测到。使用合适的设备，就能确定光的传播方向，甚至辨认出中微子来自哪里。最重要的是，水的体积必须足够大，才能观测到大量中微子碰撞留下的迹象。

哈尔岑的想法是，使用天然存在的冰，而不是水。他联系了研究同行约翰·勒尼德（John G. Learned），后者当时正在参与DUMAND项目。这是一个类似的项目，目的是在夏威夷外海深而清澈的海水中，捕捉中微子相互作用产生的光信号。两位物理学家一起讨论了在南极洲捕捉中微子的机会与挑战。1988年，他们在波兰举行的一次会议上，首次提出在南极点冰层中建设中微子天文台的构想。

南极点的中微子望远镜

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：那里已经有一座科考站，拥有定期运输的组织体系，以及团队开展工作所需的各种条件。

冰作为探测介质，也有许多优点。在足够深的地方，环境始终一片黑暗。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，能为在设施中工作的人提供坚实的地面。该地区地质稳定，没有地震。

而不利之处在于，严寒导致人们在一年中大部分时间无法进出南极点。所有实操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。

图1｜冰层中的天文台

起初，哈尔岑满足于开展理论研究，而勒尼德忙于自己的项目，此后没有再继续他们有关在南极点捕捉中微子的理论工作。故事原本可能就此结束，但这一构想引起了大家浓厚的兴趣。几年之内，来自不同机构的研究人员聚集到哈尔岑身边，共同推动在南极洲建设中微子天文台的想法成为现实。

首先，他们必须解决把仪器放到冰层深处涉及的各种实际问题。他们从冰川学家那里了解到，可以使用一种类似精密淋浴喷头的装置，用热水融化冰层，钻出深度达到千米级的孔洞。随后，就可以将沿线装有一串光传感器的长电缆放入充满水的钻孔中。哈尔岑把这些传感器形容为“反过来工作的灯泡”：仪器先捕捉光，再将其转换为电信号。

冰中的气泡可能带来问题

研究团队首先在格陵兰岛试验，将传感器放入冰中，检查它们是否能够记录冰中粒子发出的光。之后，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。

哈尔岑曾描述过这样一幕：1993年平安夜，他坐在餐桌旁，把计算机放在膝上，等待一条消息，确认第一根装有光学模块的电缆已经安装到冰中。

冰层上部充满气泡，会把光散射到不同方向，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，他们发现，1400米以下的冰极其纯净、透明。在那里，中微子产生的闪光在被吸收前可以传播300米，远远超出所有人的预期。这项中微子研究还带来了一项附带收获：研究人员对不同深度冰层的性质有了深入了解。

AMANDA的建设一直持续到2000年1月。整个系统按预期运行，但仍不足以探测来自宇宙粒子加速器的高能中微子。为此，需要更大的探测体积。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，冰立方建成并达到完整规模，共有5160个光传感器，分布在86根电缆上。

多年来，哈尔岑一直是这些项目的重要推动者，先是AMANDA，后来是冰立方。作为一名坚定而充满热情的首席研究员，他推动这些项目从构想阶段走向
实际测量、取得科学成果。

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所寻找的中微子。要找到宇宙中微子，就必须从进入地球大气层的宇宙射线所产生的背景信号中将它们识别出来。其中一些粒子能够穿透冰层，抵达位于冰面下1450至2450米之间的传感器。每天，冰立方都会记录到超过一亿个来自南极洲上方大气层的此类粒子。宇宙射线还会在大气层中产生中微子，其中，每天有几百个中微子从北半球出发，直接穿过整个地球，最终抵达冰立方。

为了寻找宇宙中微子，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例。即使无法完全确定某一个中微子是否来自地球之外，他们仍然可以综合考察所有筛选出的事例，看看其整体特征是否符合对宇宙中微子的预期，并与大气中微子有所区别。2013年，研究团队报告了首批证据，支持他们确实找到了宇宙中微子。几年后，他们已经积累了足够多的数据，可以确信这一发现。

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，雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr.）观测到来自太阳的中微子时，中微子天文学就已在小规模上起步。日本神冈中微子观测站由小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）领导的研究团队，随后证实了这一结果；他们能够确定中微子的传播路径，并追溯其来源。

1987年，神冈观测站捕捉到一阵中微子，它们可以与我们的邻近星系，大麦哲伦云中一颗恒星的爆炸，也就是一次超新星爆发联系起来。美国和苏联同期进行的中微子测量，很快补充了这一发现。

戴维斯和小柴昌俊因这些突破获得了2002年诺贝尔物理学奖。这些研究表明，中微子可以用来研究宇宙中的现象。

但仍有一个问题没有解决：戴维斯捕捉到的中微子数量，只有根据太阳内部应当发生的反应计算出的预测值的三分之一。后来，人们发现，原因与中微子有三种类型有关。物理学家认识到，中微子能够改变类型：一个产生时属于某种类型的中微子，抵达地球上的仪器时，可能已经变成另一种类型。要观测这些发生了类型转变的中微子，需要采用不同于戴维斯所用方法的探测技术。

日本和加拿大的实验揭示了中微子能够改变类型的性质。梶田隆章（Takaaki Kajita）和阿瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald）因这一发现获得了2015年诺贝尔物理学奖。

图2｜来自宇宙的信使

因此，中微子帮助物理学家验证了他们关于太阳内部及超新星内部发生何种过程的模型。冰立方的构想，把中微子天文学推向一个新的层次。研究人员希望，中微子能够提供有关尘埃云后方现象的信息，揭示那些极其遥远及其他形式辐射已在途中消失的天体。目标是获得无法通过其他方式取得的知识。

与质子相比，中微子的优势是不带电荷。带电质子在宇宙空间中运动时，路径会被沿途的磁场弯曲，因此无法通过追踪其运动方向来反推它们的来源。然而，加速质子的过程会产生中微子，而中微子不受磁场影响。因此，沿着能量最高的中微子路径反向追溯，就应当能推断宇宙线质子是在何处被加速的。

宇宙中最剧烈的过程还会产生另一类信使：伽马辐射。它在宇宙空间传播时，也会因与光和物质发生相互作用而减弱，中微子则不受这些影响。

更多成果值得期待

一项重要目标是确定具体的天体中微子源。冰立方已经找到了几个候选源，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所在的方向。不过，这些证据还不够坚实，尚不能明确认定NGC 1068是一个中微子源。传感器捕捉到的中微子越多，找到其来源的机会就越大。

近年来，冰立方的研究人员还观测到了来自我们自身星系——银河系的高能中微子。他们认为，这些中微子是在宇宙线与恒星之间的稀薄气体原子碰撞中产生的。

未来几年，随着其他项目沿着冰立方开辟的道路继续前进，我们一定会听到更多有关中微子天文学的消息。在北半球，另外几座中微子望远镜正处于不同的发展阶段，它们使用水作为探测介质，而不是冰。20世纪80年代启发哈尔岑的DUMAND项目于1995年终止。不过，其经验仍在其他项目中延续，例如贝加尔湖、地中海、南海，以及加拿大西海岸外的项目。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也正在规划中：第二代冰立方的冰探测体积将达到惊人的8立方千米。

编辑：诺奖小分队