在南极千米冰层之下捕捉“宇宙幽灵粒子”！官方详解为何今年物理学诺奖颁给哈尔岑

10月6日，瑞典皇家科学院决定将2026年诺贝尔物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），以表彰他对冰立方（IceCube）中微子天文台作出的决定性贡献，以及对天体物理来源高能中微子的发现。 哈尔岑为一种全新类型的天文学奠定了基础。他提出利用南极冰川冰捕捉被称为中微子的隐秘粒子，并最终建成冰立方中微子天文台，用来追踪来自遥远宇宙的中微子。 中微子是宇宙中最难探测的粒子，不带电荷，质量几乎为零。一般情况下，中微子穿过物质时不会留下信号，极少会与原子核发生碰撞。每一秒，有650亿个来自太阳的中微子穿过人的小拇指指甲，而人体不会感知到。因为它几乎不与物质发生相互作用，可以毫无阻碍地穿透物体，很难被探测，像幽灵一样来无影去无踪，所以也被戏称为“幽灵粒子”。 宇宙中始终穿行着大量被统称为“宇宙射线”的粒子。它们通常是质子，也就是被剥去电子的氢原子核。有些来自太空的质子抵达地球时，能量高得惊人，远远超过地球实验室加速器能够达到的能量。这种极端高能宇宙射线究竟从哪里来，一直是宇宙中保守得最好的秘密之一。好在物理学给了一个提示：能把质子加速到高能的过程，同样会产生高能中微子。于是，中微子就成了破解“宇宙粒子加速器”之谜的关键线索。 宇宙里有能把信息带到地球的“信使”有三种：宇宙射线、伽马辐射、中微子。前两种都有致命短板，质子等带电粒子在穿越宇宙时会被磁场改变方向，因此很难追溯来源；伽马射线在传播途中，容易被星际尘埃、物质吸收等阻挡。中微子则不同，它“既能指路、又能穿墙”：中微子最大的优势是不带电荷，也几乎不受宇宙磁场和尘埃影响。它们能够从遥远的宇宙环境一路抵达地球，不损失能量、不改变方向。因此，科学家可以根据中微子的方向，反向寻找产生它们的高能天体。 宇宙射线（橙色带电粒子）会被磁场偏转；伽马辐射（绿色电磁波）容易被尘埃遮挡；中微子（蓝色粒子）不受干扰沿直线传播，可供科学家追溯天体源头。 此外，能量巨大的中微子，和那些能量低得多的中微子是可以区分开的——后者来自放射性物质衰变、来自太阳，或者产生于宇宙射线撞上地球大气层之时。这些高能中微子既然不是源自我们周边环境的中微子，那必定来自极其遥远的地方——或许来自恒星爆炸过程的剧烈区域，或许来自遥远的活动星系。 哈尔岑在比利时长大。20世纪60年代，粒子物理领域的进展吸引了他，他最初研究由夸克构成的重粒子。博士毕业后，他前往美国威斯康星大学麦迪逊分校任教。后来他意识到，粒子物理可以研究抵达地球的空间粒子，天体物理也能从粒子物理的研究中获得帮助。 当时小雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr.）首次观测到来自太阳的中微子。日本神冈天文台团队证实了这一结果，并追溯粒子来源。1987年，神冈天文台探测到对应大麦哲伦云超新星爆发的中微子。戴维斯与小柴昌俊因此获得2002年诺贝尔物理学奖，证明中微子可用于宇宙观测。 不过，当时存在太阳中微子缺失问题：物理学家了解到，中微子可以“变身”：一种类型的中微子在产生之后，抵达地球上的探测仪器时，可能已经变成了另一种类型。 中微子的这种可变性质通过日本和加拿大开展的实验得以揭示。2015年诺贝尔物理学奖授予梶田隆章和阿瑟·B·麦克唐纳，以表彰这一发现。 1960年前后，已经有物理学家提出，水可能适合用来捕捉太空中微子，因为水是透明的，中微子与原子核碰撞后，会产生发出蓝色光的带电粒子，如果采用合适的设备，就可以确定光传播路径方向，甚至看出中微子来自哪里。 20世纪80年代，哈尔岑意识到，南极的冰可能是诱捕足够多这类“神秘的粒子”的理想材料，在冰川冰中安装光学传感器，寻找中微子碰撞时所产生的闪光。但是这个前提是需要足够大体积的水，哈尔岑想到了利用天然形成的冰。 1988年，他与同事约翰·G·勒尼德（John G. Learned）一起首次提出了在南极点冰层中建设中微子天文台的构想。南极冰体量足够，而且地质稳定没有地震，足够深的地方环境也保持黑暗，也不会受到生物活动的干扰，唯一的缺点就是这个中微子天文台施工时间只能在南极夏季时间进行。 冰立方中微子天文台由一立方公里安装了光学传感器的冰体组成，这些设备被安装在玻璃外壳内，并朝向下方，分布于地下约1450米至2450米深的区域。 1992年，科研人员和工程师第一次尝试将光传感器放入南极冰川。但起初并不顺利，冰的上层充满了气泡，气泡把光散射到各个方向，模糊了关于粒子运动的信息。然而事实证明，在1400米以下的深度，冰极其纯净而透明。在那里，中微子产生的闪光在被吸收之前可以传播300米，远远超出任何人的预期。 2013年，团队找到宇宙中微子的初步证据；数年之后，积累足够数据，最终确认这项发现：冰立方探测到一批中微子，它们的特征证明这些粒子来自遥远宇宙空间，人类对宇宙中微子源的搜寻正式展开。 冰立方探测到的中微子中，有79个来自这个星系所在的方向。不过，目前的证据还不足以确认NGC 1068就是中微子的来源。科学家认为，随着探测到的中微子越来越多，他们找到这些中微子源头的机会也会越来越大。 未来几年，全球预计还将看到更多关于中微子天文学的发现。随着更多科学家沿着冰立方开辟的道路继续研究，全球正在建设更多中微子望远镜。 与此同时，冰立方仍在持续捕捉中微子。南极的下一轮扩建已经开始规划，未来的冰立方第二代（IceCube-Gen2）将覆盖约8立方公里的冰层，探测范围将大幅扩大。