诺奖第五次授予中微子！海铃计划外，王贻芳院士呼吁启动水下中微子探测新项目

北京时间10月6日17时45分许，瑞典皇家科学院宣布，将2026年诺贝尔物理学奖授予比利时科学家、美国威斯康星大学麦迪逊分校讲席教授弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），以表彰他“对冰立方中微子天文台作出的决定性贡献，以及发现来自天体物理源的高能中微子”。 诺奖揭晓后，记者第一时间采访了中国科学院院士、高能物理学家王贻芳，以及曾为南极“冰立方”合作组成员的上海交通大学“李政道学者”徐东莲。他们介绍，哈尔岑是南极冰立方（IceCube）项目负责人，这个大科学装置项目将1立方公里的纯净冰川改造成粒子探测器，已运行15年，开创了中微子天文学。 王贻芳院士透露，中国科学院高能物理研究所等单位已建议我国启动一个类似“冰立方”的水下中微子探测项目，根据设计方案，探测器体积达到30立方公里。“希望国家支持这个项目，让我国在宇宙线物理领域尽快赶上美国主导的‘冰立方’。” 自宇宙大爆炸起，连高能光子也无法逃逸的黑洞中，一种看不见、摸不着的基本粒子——中微子不仅能够轻松逃出，还能“穿越宇宙来看你”。科学家发现，中微子是一种电中性的基本粒子，通过弱相互作用和引力与其他物质发生相互作用，其中弱相互作用力程很短。它的质量极小，与其他物质的相互作用也很小，通常可以几乎不受阻碍地通过正常物质，所以很难被探测到。 “每一秒钟，你的身体会放射出大约3亿个中微子！”上海交通大学李政道研究所长聘学者徐东莲说，中微子并不那么神秘，它们其实就在你的身边，比如当你吃了一个香蕉，那么香蕉中的钾元素，经过衰变也会产生中微子。 不过，今年诺奖授予的中微子成果与此前4次有所不同。王贻芳解释，哈尔岑研究的领域是宇宙线物理，这个前沿领域属于天体物理，而非研究中微子本身的粒子物理。也就是说，哈尔岑带领团队研究中微子的目标，是探索天体起源、黑洞等宇宙奥秘。 “在通过中微子研究天体物理这个方向上，哈尔岑做了几十年研究。他是第一位提出利用南极冰川探测中微子的科学家，而且一直在推动‘冰立方’项目，并最终取得了突破。”王贻芳告诉记者。因此，让哈尔岑独享诺贝尔物理学奖，虽令很多科学家感到意外，却也是实至名归的一次授奖。 位于南极的“冰立方”中微子实验，可以理解为巨型的天文望远镜，其探测元件共5000多个，均掩埋在1.5到2.5公里下的冰川冰层中，形成长宽高各1公里的探测阵列，成为世界最大的中微子探测器。2013年，它发现了银河系外的高能中微子，由此开启中微子天文学时代。 2018年，“冰立方”还首次发现了来自猎户座40亿光年外的“耀变体”中微子，证明其中心有超级黑洞的活动星系核，可以加速宇宙射线到几万万亿电子伏特，比目前人类最强大的加速器高几千倍。这一发现，被《科学》杂志评选为当年十大科学突破之一。 2018年，经上海交通大学引进，徐东莲归国加盟李政道研究所粒子与核物理研究部。这位女科学家2008年从中科大毕业后，在美10年完成博士后研究，其间在“冰立方”建成之初就赴南极极点，长期致力于寻找高能天体“陶中微子”和高能中微子的瞬变源，并加入我国江门中微子实验合作组，开展中微子天文学方面研究。 在徐东莲看来，通过“幽灵信使”中微子探索极端宇宙，不仅可以解开太空中宇宙射线起源的世纪之谜，还能检验时空对称性、寻找量子引力并间接寻找暗物质。有意思的是，除了可以“上知天文”，中微子探测还能“下知地理”，因为只有中微子可以穿越整个地球，利用这些粒子就能为地球做CT，真正透视全球。 近年来，从深海、深湖到深冰，多国多边的中微子望远镜正不断升级，全力捕捉这种宇宙中的“幽灵信使”。当然，中微子如幽灵般难以捕捉，必须在极深处、无人区建立超大体积、超级灵敏的粒子探测器，才能“见微知著、静听寰宇”。 徐东莲现任南海“海铃计划”中微子望远镜项目首席科学家。她介绍，作为中国首个深海中微子望远镜，“海铃计划”在海水中建设望远镜比冰下、湖下难度更大。在徐东莲回国入职李所的同年，其中微子天文学研究项目获得“海外高层次青年人才专项”支持，主要开展中微子望远镜选址和探测器原型样机研发。2021年起，作为“海铃计划”探路者的海试团队在预定海域布放多套自研的实验仪器，原位采集到3500米海深的超过1T字节珍贵数据，验证了预选海域作为中微子望远镜候选台址的可行性。 在深海“无人区”，这项由上海交大发起的深海中微子望远镜建设计划，今年在深海精密仪器的工程试验方面取得重大进展。按计划，这一中微子望远镜整体布设于3500米深海底部，由约1000根中微子探测潜标组成，形成直径约4公里的圆盘状阵列。每根海底潜标高约700米，超过上海中心大厦高度，悬挂20个耐高压光学探测球舱。作为国际首创专用载具，成功完成海试的“蜘蛛系统”，已攻克超长柔性线缆的深海精准布放这一国际难题，距离解答宇宙射线起源之谜又进一步。 虽然中微子天文学已取得一系列重要成果，但王贻芳认为，这一前沿学科还处于起步阶段，未来将逐步进入“通过中微子定量研究天体性质”阶段。 王贻芳告诉记者，中国科学院高能物理研究所等单位新提出一个“水下探测方案”，即在海底或湖底，利用巨大的水体探测来自遥远星空的中微子。据透露，这个大项目耗资较大，以亿元为单位。用大量经费探索宇宙奥秘，值得吗？对于这个问题，王院士回答得很干脆：“它值一个诺奖。”