2026年诺贝尔物理学奖：南极冰层下的宇宙回响

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原作：Nobel Prize organization

翻译：刘明睿

校译：马艺朔

编排：江哲宇

后台：朱宸宇

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

2026年10月6日，瑞典皇家科学院宣布将本年度的诺贝尔物理学奖授予比利时裔美国物理学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），以表彰其“对冰立方（IceCube）中微子天文台的决定性贡献，以及发现具有天体物理起源的高能中微子”。哈尔岑为一种全新的天文学研究范式奠定了基础。由他率先提出的利用南极的冰川捕获中微子的想法最终成就了冰立方中微子天文台，使人类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，它不带电荷，也几乎没有质量。穿过物质时，这种粒子也鲜少与原子核碰撞，因而它的存在极难被察觉。每一秒钟，都有650亿个来自太阳的中微子悄无声息地穿过你的小拇指指甲缝，而我们却对此一无所知。

除了太阳外，到达地球的中微子有一部分也来自宇宙的其他区域。这些深空信使们来自太空中最极端的一些环境，若是能成功捕获这些罕见的宇宙中微子，研究人员便得以一窥某些宇宙终极奥秘的一角。

早在20世纪80年代，弗朗西斯·哈尔岑就意识到南极冰层是捕获宇宙中微子的理想场所。他很快就说服了许多人相信这一个想法的潜力。1992年，由他带领的一支锲而不舍的研究团队首次尝试将光传感器放入南极的冰层中。经过约20年的不懈努力，突破性进展终于到来：IceCube中微子望远镜探测到了一些特殊的中微子，其特征提示它们起源于遥远的宇宙。寻找宇宙中微子源的征程由此正式开始。

2026年诺贝尔物理学奖得主弗朗西斯·哈尔岑。

图源：Althea Dotzour / 威斯康星大学麦迪逊分校

粒子物理遇上天体物理

哈尔岑在比利时长大。20世纪60年代，粒子物理学蓬勃发展，吸引了年轻的哈尔岑进入这一领域。起初，他专注于研究由夸克构成的大质量粒子。博士毕业后不久，他前往美国威斯康星大学麦迪逊分校任教。后来，他逐渐认识到粒子物理与天体物理之间存在的深远连接：来自太空的粒子能够启发粒子物理学家更新有关粒子本性的理论，而天体物理学家反过来又能从粒子物理学中受益，加深对宇宙的理解。

搜寻中微子这一想法实际源于对一种完全不同的粒子的观测。在宇宙的每个角落，时刻都有粒子穿行往返，这些粒子被统称为宇宙射线。最常见的宇宙射线是质子，即不带电子的氢原子核。有时，这些来自太空的质子到达地球时所携带的能量相当惊人，远远超过地球上最强大的粒子加速器所能提供的能量。

宇宙射线（能量极高的宇宙射线）的起源一直是有关宇宙最大的谜团之一。物理学理论表明，能够将质子加速到极高能量的过程也会产生高能中微子，因此中微子可能为我们提供关于这些宇宙粒子加速器的关键线索。

物理学家得以通过中微子所携带的能量判断它们的起源。低能量的中微子可能来自放射性物质衰变、太阳内部的核聚变，或者在宇宙射线撞击地球大气层时产生。除此之外，我们星球附近已不存在足以产生高能中微子的环境。因此，到达地球的高能中微子必定来自浩瀚的深空——诸如恒星濒死时刻的剧烈爆炸，或是遥远星系中心吞噬周遭物质的超大质量黑洞，都有可能是宇宙中微子的源头。

冰层中的闪光

上世纪80年代，在哈尔岑研究宇宙粒子时，他听说苏联研究人员计划用无线电接收器在南极捕获中微子信号。苏联人的想法是，当中微子与冰层中的原子核碰撞时，会产生电火花，进而产生无线电波。如果无线电信号足够强，就可以用无线电天线接收。哈尔岑意识到，还有另一种方法能够探测这种中微子与原子核的碰撞，那就是在冰层中安装光传感器，直接寻找碰撞时转瞬即逝的闪光。

1960年左右，一些物理学家提出水可能是捕获宇宙中微子的理想媒介。当中微子与原子核偶然碰撞时，会产生一个带电粒子；该粒子沿着与中微子在碰撞前相同的方向运动，并发出蓝光。在透明的水中，这种蓝光清晰可见。如果使用合适的设备，就可以确定光线的传播方向，甚至可以确定中微子的来源。关键在于，必须要有足够多的水——也就是足够多的原子核；这样哪怕中微子与单个原子核碰撞的概率极低，也有相当的把握能观测到多次中微子碰撞。因此，在巨大水体中设置中微子探测装置成为了主流的技术方案。

哈尔岑的想法更进一步——他计划利用天然形成的冰，而非水。他联系了正在参与DUMAND（Deep Underwater Muon And Neutrino Detector，深海水下子和中微子探测器）项目的同事约翰·G·莱尔德（John G. Learned）。DUMAND与哈尔岑设想的项目类似，旨在捕捉中微子在夏威夷附近的深海中与海水相互作用时产生的光信号。两位物理学家探讨了在南极捕获中微子的可行性。1988年，他们在波兰的一次会议上首次提出了在南极冰层中建造中微子观测站的构想。

南极的中微子望远镜

哈尔岑发现，将中微子观测站建在地理南极实际上有很多好处：当时，那里已经建有一座科考站，有定期运输物资人力的组织机构，以及支撑一个科研团队工作所需的一切。

冰作为媒介本身也具有诸多优势。冰层深处的黑暗能确保没有其他光源污染中微子的闪光信号；与海洋不同，冰层中没有生物活动干扰，放射性物质的含量也极低；冰层结构牢固，能为设施工作人员提供坚实的作业平台。该地区地质环境也相当稳定，没有地震活动。

当然，这一方案也不是完全没有缺点：严寒使得研究人员在一年中的大部分时间里都无法顺利往返南极点。所有的重要工作都必须在南极每年11月至次年2月短暂的夏季中进行

极光下，位于南极点的IceCube冰立方实验室。

图源：IceCube合作组/美国国家科学基金会

在概念提出的最初一段时间里，哈尔岑醉心于纯粹的理论研究，而莱尔德则忙于自己手头的项目，再也没有碰过南极中微子计划。按理来说，这一项目本该就这样不了了之，但正所谓酒香不怕巷子深，如此大胆而新颖的设想引发了科学界极大的兴趣，几年之内，来自数个机构的研究人员陆续加入哈尔岑，一并致力于将他在南极建立中微子天文台的想法变为现实。

实现计划的第一步，是了解并克服将探测器放置在冰层深处所面临的诸多挑战。向冰川学家请教后，团队意识到可以使用一种宛如大号“淋浴喷头”的装置持续向冰层喷射热水，以在冰层下钻出千米级的深洞。接着将冰洞注满水，并把一根布满光传感器的长电缆放入其中。用哈尔岑的说法来讲，这些传感器就是把灯泡的用法反过来——它们捕捉光线，然后将其转换成电信号。

冰中气泡的难题

研究团队在格陵兰岛进行了前期测试，将传感器沉入冰层中，以检验它们是否真的能探测到冰层中粒子发出的光。测试顺利完成，随后团队便开始建造人类第一个位于南极的中微子天文台，也就是IceCube的前身：AMANDA（Antarctic Muon And Neutrino Detector Array，南极子和中微子探测器阵列）。

哈尔岑曾回忆当时的情形：1993年圣诞前夜，他坐在餐桌旁，膝上放着电脑，等待着确认第一条带有光模块的电缆已经安装在冰层中的消息。

然而，最初几次尝试的结果都不尽如人意。冰层的上层充满了气泡，会将光线散射到各个方向，干扰有关粒子运动的信息。好消息是，在1400米以下的深度，冰层变得异常纯净透明。在那里，中微子发出的闪光可以传播300米之远才被吸收。此前，包括冰川学家在内的所有人都未曾预料到这一点。藉此，研究人员对冰层不同深度的性质有了更深入的了解，这也是南极中微子计划的一大意外收获。

AMANDA于2000年1月完成建造。后续的运行达成了设计时的一切指标，但要探测来自宇宙粒子加速器的高能中微子，它还力所不及——它的体积还不满足探测到这些中微子的要求。于是，IceCube天文台的建造启动了。这无疑是人类历史上最有创造力的工程之一：在南极冰层下一块足足一立方公里大小的冰中，钻出86个约3公里的深洞，并向其中穿插电缆，布设5160个光传感器，只为了捕捉来自遥远宇宙中鬼魅般的微小粒子。

IceCube总体实验装置图解

图源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院，澎湃新闻AI翻译

2011年，冰立方完成了建造。多年来，哈尔岑一直扮演着催化剂一样的角色，先后推动实现了AMANDA和IceCube两大雄心勃勃的项目。作为一位尽职尽责、充满热情的首席研究员，他带领这些项目从构思阶段一路走到最终完成测量，并取得科学成果。

IceCube与宇宙中微子

像冰立方这样强大的观测设备能探测到各种渠道产生的中微子，这意味着研究团队接收到的信号不一定总是来自他们所寻找的宇宙中微子。每时每刻，都有无数宇宙射线正在撞击地球大气层。在南极上空，每天都能探测到超过一亿个宇宙射线粒子。其中的一部分也会在大气层中产生中微子，并被IceCube捕获：每天平均有几百个中微子能够从北半球穿越整个地球到达IceCube。如果不留意筛选，宇宙中微子很可能就会被淹没在这些大气中微子产生的背景信号中。

为了寻找宇宙中微子，研究人员必须识别出中微子与冰相互作用的特定事件。即使他们无法完全确定单个中微子是否起源于地球之外，他们也可以分析所有选定的事件，并观察其整体性质是否符合宇宙中微子的预期，以及是否与大气中微子存在差异。2013年，该研究团队首次报告了他们确实发现了宇宙中微子的证据；几年后，他们收集了大量数据，足以确信这一发现。

宇宙中微子能告诉我们什么？

中微子天文学起源于20世纪60年代。当时，小雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr）观测到了来自太阳的中微子。在日本神冈中微子天文台（Kamiokande neutrino observatory），由小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）领导的研究团队确定了中微子的路径并追溯了其起源，最后也证实了这一发现。

1987年，神冈探测器捕捉到一股中微子流，推测可能与我们的近邻，大麦哲伦星云中一颗爆炸的超新星有关。美国和苏联在同一时期进行的中微子测量进一步支持了这一推论。

小雷蒙德·戴维斯和小柴昌俊凭借证明中微子可以用来研究太空现象这一突破性发现而荣获 2002 年诺贝尔物理学奖。

但还有一个问题依然存在：小雷蒙德·戴维斯捕获的中微子数量仅仅是根据太阳内部反应计算预测值的三分之一，原因在于中微子存在三种类型。物理学家发现中微子会变形，因此，一种类型的中微子到达地球上的仪器时可能变成另一种类型——观测这些变身后的中微子需要采用与雷蒙德·戴维斯不同的技术。中微子的可变性是通过日本和加拿大的实验揭示的，梶田隆章（Takaaki Kajita）和阿瑟·B·麦克唐纳（Arthur B. McDonald）因这项发现荣获2015年诺贝尔物理学奖。

因此，中微子帮助物理学家验证了他们关于太阳内部活动过程以及超新星爆发过程的模型。IceCube 团队的理想是将中微子天文学提升到一个新的水平，希望中微子能够提供关于这些隐藏在尘埃云后，或距离遥远到其他辐射形式早已消失的天体的信息。最终，目标是获得其他任何方式都无法获得的知识。

与质子相比，中微子的优势在于它们不带电。带电质子在太空中的运动路径会受到磁场的影响而发生弯曲，因此无法通过追踪它们的运动方向来推断其来源。然而，加速质子的过程也会产生不受磁场影响的中微子，因此，通过追踪能量最高的中微子的路径，应该可以推断出宇宙射线质子的加速位置。

宇宙中那些最剧烈的活动还会传来另一种信使——伽马射线。伽马射线在穿越太空的过程中，会与光和物质相互作用而减弱，而中微子则不受影响。

未来可期

IceCube目前的一大重要目标是确定宇宙中微子的具体来源天体。IceCube探测器已经发现了一些潜在的中微子源，其中之一是活动星系NGC 1068（也称M77）。在IceCube探测到的中微子中，有79个似乎来自该星系的方向。然而，这些证据尚不足以最终确定NGC 1068就是中微子源；探测器捕获的中微子越多，找到其来源的可能性就越大。

近年来，IceCube项目的研究人员也观测到了来自我们银河系的高能中微子。他们认为，这些中微子是宇宙辐射与恒星间稀薄气体中的原子碰撞产生的。

未来几年，随着其他项目跟随IceCube开创的道路，我们肯定会听到很多关于中微子天文学的消息。北半球还有其他几个中微子望远镜正处于不同的研发阶段中，但它们都建在水里而非冰层里。上世纪80年代启发弗朗西斯·哈尔岑的DUMAND项目已于1995年结束，但它带来的经验教训得以通过其他项目延续，譬如贝加尔湖、地中海、南海和加拿大西海岸的项目。与此同时，IceCube仍在持续捕获中微子，目前正在规划南极的下一次扩建，届时第二代IceCube（IceCube-Gen2）会占据惊人的8立方公里冰层。

责任编辑：DAIKIN

牧夫新媒体编辑部

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阿尔忒弥斯2号机组人员月球照片标注

图片来源 NASA

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