捕获来自宇宙极端环境的“幽灵粒子”——透视2026年诺贝尔物理学奖

文竹的一天

捕获来自宇宙极端环境的“幽灵粒子”——透视2026年诺贝尔物理学奖

从仰望星空到使用望远镜观测天体，再到使用各种仪器在可见光波段之外，对天体发出的红外线、X射线等电磁信号进行探测，人类探索宇宙的视野不断拓展。而中微子天文学、引力波天文学等多信使天文学的发展更使我们能以电磁波以外的途径了解宇宙，极大地丰富了我们对宇宙的认识。

2026年10月6日，瑞典皇家科学院宣布，2026年诺贝尔物理学奖授予美国威斯康星大学麦迪逊分校教授、冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory，以下称冰立方）首席科学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），以表彰他对“冰立方中微子天文台和发现天体物理起源的高能中微子所作出的决定性贡献”。这是诺贝尔物理学奖第5次授予研究中微子的物理学家，也是第2次授予在中微子天文学研究中作出重要贡献的物理学家。



2026年诺贝尔物理学奖获得者弗朗西斯·哈尔岑。图片来源：诺贝尔奖官网

来自宇宙极端环境的“信使”

中微子是宇宙中最难以捉摸的粒子之一，它不带电荷，质量极小。因为它几乎不会同原子核发生碰撞，在一般情况下，它能够穿过物质而不被注意，所以又被称作“幽灵粒子”。举例来说，在我们毫无察觉的情况下，每秒就会有650亿个来自太阳的中微子穿过我们的指甲盖。虽然看起来“微不足道”，中微子却在粒子物理学研究中占据极其重要的位置，可能是解答一系列关键问题的“钥匙”。

一些在宇宙中穿行的极高能量的粒子——通常是质子——会到达地球，我们把这些粒子称为宇宙线，其所具有的能量远超地球上粒子加速器所能达到的能量。宇宙线起源于何处是天体物理学中最重大的问题之一，因为那里一定存在非常极端的环境。而把质子加速到极高能量的过程也会产生高能中微子，这些高能中微子可以提供关于“宇宙粒子加速器”的关键信息。

中微子可能有多种来源，包括放射性物质衰变产生的中微子、太阳中微子以及宇宙线撞击地球高层大气产生的中微子。而这些中微子的能量比“宇宙粒子加速器”产生的中微子能量低得多，因此捕获并识别出高能中微子就成为物理学家的一项重要任务。

哈尔岑是研究宇宙高能中微子的先驱，正如诺贝尔物理学奖委员会给他授奖的理由所言，他对探测到首个高能中微子的冰立方作出了决定性贡献。其实，冰立方使用的探测原理与一些著名的中微子探测器相同，即建造一台巨大的切伦科夫辐射探测器，如日本的神冈探测器及其“升级版”超级神冈探测器。这类探测器的原理是，当穿过探测器的中微子与其中极其清澈的水发生相互作用时，会产生带电粒子。这种带电粒子在水中传播的速度比光快（在非真空环境中，其他粒子的速度可以比光更快），这会导致它发出电磁切伦科夫辐射，而探测器周围的高灵敏度传感器可以捕捉到这种辐射。

但是，此类探测器的效果与探测器的体积直接相关，研究人员如果想探测到更多中微子，就需要把探测器建得越来越大。与超级神冈等以纯水为探测介质不同，冰立方，顾名思义，用到了水的固态形式——冰。



冰立方中微子天文台探测高能中微子原理示意图。图片来源：诺贝尔奖官网

在冰层深处打造天文台

哈尔岑于1944年出生在比利时，1969年，他在比利时鲁汶大学获得了博士学位。此后，他在欧洲核子研究中心（CERN）工作。1971年，他前往威斯康星大学麦迪逊分校进行为期6个月的访问，随后在那里工作至今。20世纪80年代，受到苏联研究同行的启发，他意识到南极冰川中的巨量冰体可能非常适合捕获足够多的中微子。1988年，哈尔岑和同事约翰·勒尼德（John G. Learned）首次提出了在南极点的冰层中建造中微子天文台的构想。

南极的冰有很多优势：在足够深的地方，有恒定的黑暗环境；冰层深处放射性水平很低，探测器可以在最大程度上减少干扰；冰层地质条件稳定，没有地震。但与此同时，实施这一构想也面临很多挑战，比如，冰必须清澈，向冰层深处进行钻探的方法必须有效，等等。所以，在哈尔岑看来，在南极建设一个巨型中微子天文台曾经只是一个“可爱”的想法。

能量极高的宇宙中微子非常罕见，因此需要体积巨大的冰才能观测到足够数量的碰撞。不过，在建设千米级别的冰立方之前，哈尔岑和他的团队需要从小规模的测试开始。他们首先在南极建设了冰立方的前身——南极μ子和中微子探测器阵列（AMANDA）。在测试之初，研究人员发现，在不到1000米的深度内，冰中的气泡会把光散射到不同的方向，从而模糊粒子运动的信息。但是，在后续测试中，他们发现在1400米以下，冰被证明极其纯净透明，测试效果超过所有人的预期。

2000年，AMANDA投入运行。虽然其还不足以探测到来自宇宙的高能中微子，但这一项目验证了在南极建设千米级中微子天文台的可行性，为冰立方的建设奠定了基础。2005年，哈尔岑领导的研究团队开始建设体积更大的冰立方。2011年，冰立方正式建成。探测器的主体部分位于地下1450米至2450米之间，这个立方的体积达到了1立方千米，内部5160个传感器分布在86根电缆上。



位于冰面上的冰立方中微子天文台实验室，其中有从数千个传感器中收集数据的计算机。图片来源：冰立方中微子天文台

冰立方投入使用后，已经取得了一系列重要的发现。2013年，研究团队宣布首次观测到拍电子伏能级的高能中微子；此后几年中，他们陆续收集了更多证据，可以确认这一发现，即宇宙深处存在能够产生这些高能中微子的“宇宙粒子加速器”。2017年，冰立方探测到一个超高能中微子IceCube-170922A，随后其他观测设备发现，在探测到中微子的方向上，耀变体TXS 0506+056的伽马射线活动显著增强，这是人类首次将高能中微子与具体天体源联系起来。2022年，冰立方发现了活动星系NGC 1068发射高能中微子的证据，暗示其核心区域可能是一个强大的中微子源，为研究那里难以通过电磁辐射进行观测的高能物理过程提供了新的途径。2023年，冰立方发现了来自银河系盘面的高能中微子信号，这些信号与宇宙线撞击星际物质产生中微子的理论预言相符，证实了银河系也是一个高能中微子源。

在获得诺贝尔物理学奖前，哈尔岑已经获得了多项重要荣誉，包括当选美国科学院院士、获得2026年美国物理学会杰出研究成就奖章等。在美国物理学会官方网站上，哈尔岑曾这样评论使用冰立方发现“宇宙粒子加速器”位置的意义：“这就是为什么每个人都认为中微子天文学很有趣，因为无论宇宙线在哪里产生，都会产生中微子，但我们曾经不知道它们是在哪里以及如何产生的。现在，通过看到中微子，我们开始看到第一个宇宙加速器，这真的很令人兴奋。”

中微子天文学的未来

中微子天文学始于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。此后，小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）领导的日本神冈中微子天文台验证了雷蒙德·戴维斯的发现。1987年，神冈中微子天文台捕获到中微子，这些中微子后被证实来自大麦哲伦云中的一颗超新星。2002年，雷蒙德·戴维斯和小柴昌俊因对中微子天文学的开创性贡献而获得诺贝尔物理学奖。

而本次哈尔岑的获奖，是24年后再度有物理学家因中微子天文学而获得诺贝尔奖。诺贝尔物理学奖委员会主席马克·皮尔斯（Mark Pearce）在诺贝尔奖官网上表示：“弗朗西斯·哈尔岑领导了一支由研究人员和工程师组成的国际团队，他们为我们提供了一件奇妙的仪器。他的坚韧和科学远见为一种新型天文学铺平了道路。”

目前，这种“新型天文学”已经进入了蓬勃发展的阶段，北半球还有几个使用水而非冰的中微子天文台正在推进中，例如位于贝加尔湖、地中海、南海和加拿大西海岸的项目。位于南海的深海中微子天文台被称作“海铃计划”（TRIDENT），由上海交通大学李政道研究所长聘学者徐东莲领导，而她此前就是冰立方研究团队的一员。

冰立方研究团队也在继续进行探测，希望确定高能中微子来自何方。冰立方已经发现一些潜在源，例如在冰立方记录到的中微子中，有79个似乎来自NGC 1068。但是，现在研究人员还无法最终确定NGC 1068就是高能中微子源，他们需要利用冰立方捕获更多中微子才能得出结论。而为了捕获更多高能中微子，一个规模更大的下一代中微子天文台冰立方2期（IceCube-Gen2）正在规划中，其体积是现有冰立方的8倍，旨在搜寻更遥远、更微弱的宇宙高能中微子源。

对于中微子天文学，哈尔岑说过：“也许你可以看到宇宙中你无法以任何其他方式看到的东西。”得益于哈尔岑领导的研究工作，我们真正看到了前所未有的东西，并将在未来看到更多崭新的东西。

鞠强

责编 王江涛

大白熊吃草

支持关注而中微子天文学

宁飘飘

而中微子天文学确实该重视

落日航班

先码住，回头再看而中微子天文学

大白熊吃草

这个而中微子天文学靠谱吗

今天上班了吗？

看完而中微子天文学心里有数了。。

加加加加油呀

幽灵粒子确实该重视

扎染呀

话说幽灵粒子啥时候能见成效

太极

嗯，而中微子天文学了解了

文竹的一天

哦幽灵粒子有后续吗，蹲一个～

加加加加油呀

现场感挺强，幽灵粒子

恐龙高新呀h

嗯而中微子天文学写得还行！

多喝开水

而中微子天文学信息挺及时

吃鸡爱好者

而中微子天文学希望能落实到位

文竹的一天

幽灵粒子这块再跟进就好