“幽灵粒子”获得诺奖 中微子将打开宇宙新窗口？｜封面头条

北京时间10月6日17时45分，2026年诺贝尔物理学奖揭晓。美国威斯康星大学麦迪逊分校教授弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）获得今年诺贝尔物理学奖，获奖理由是“对IceCube中微子观测站的决定性贡献，以及发现来自天体物理源的高能中微子”。 与人们熟悉的粒子加速器不同，哈尔岑的“实验室”位于南极冰层之下。那里没有巨大的环形加速器，也没有传统意义上的实验室，而是一台埋藏在南极冰盖中的“望远镜”——IceCube中微子观测站。它试图捕捉的，是一种几乎不与普通物质发生作用、却遍布整个宇宙的基本粒子：中微子。 颁奖结束后，上海交通大学物理与天文学院教授李亮告诉记者，自己主要研究缪子物理（μ子），与此次获奖的中微子研究有所不同，但两者都属于粒子物理研究范畴。“广义上说，应该算是粒子物理这个领域的获奖。”在李亮看来，更准确的说法则是，这是一个与天文学联系非常紧密的交叉领域，即“粒子天文”（astroparticle physics）。 “诺奖近年来越发重视技术和新材料了。”中国人民大学物理学院教授于伟强告诉封面新闻记者，“比如，石墨烯中狄拉克点附近的线性色散，其实很早之前理论就预测出来了。但最终怎么把它做成单层，这是关键。把它做成单层之后，一个技术就出来了，大家就打开了二维材料研究的新方向。这并不代表说，我做出单层之后，就立即发现了什么重要的物质。” 于伟强表示，目前讨论的一些获奖成果也是如此：“并不是说这个技术出来之后，就立即发现了新的内容，但主要的还是这个技术方面。” 中微子很难被捕捉，它们不带电荷，与物质发生相互作用的概率极低，因此能够穿过巨大的物质结构。诺贝尔奖官方资料将中微子称为一种难以捉摸的粒子，而在南极冰层下运行的IceCube，正是试图利用这种粒子的特殊性质来观察高能宇宙。 IceCube位于南极点附近，探测器主体埋藏在约1.5公里至2.5公里深的冰层中。整个装置利用巨大的南极透明冰体作为探测介质，在冰中布置大量光学传感器。当中微子偶然与冰中的原子发生相互作用时，会产生带电粒子，后者在冰中运动并产生微弱的切伦科夫光。埋藏在冰层中的光学模块捕捉这些光信号，再据此反推出中微子的方向和能量。 哈尔岑正是推动这一想法走向现实的关键人物之一。早在20世纪80年代，他就开始研究利用巨型冰体建设中微子望远镜的可能性，并参与推动了从AMANDA实验到IceCube的长期建设。如今，IceCube已经成为世界上最重要的中微子天文台之一。 威斯康星大学麦迪逊分校资料显示，IceCube的探测器由分布在南极冰层中的5160个数字光学模块组成，形成约1立方公里规模的探测区域。哈尔岑此前曾表示，建设这样的探测器经历了大量工程挑战，而最终能够把一个立方公里规模的天然冰体变成“中微子望远镜”，本身就是一个巨大的实验工程。 来自恒星、超新星以及其他极端天体环境的中微子，可以携带有关高能宇宙的信息。与光子不同，中微子很少受到电磁场的影响，也不容易被沿途的物质吸收。因此，它们有可能从宇宙中一些极端区域直接抵达地球。 这使得中微子天文学成为一个相对年轻、却发展迅速的研究方向。2013年，IceCube首次公布了来自宇宙之外的高能中微子证据。此后，科学家不断尝试寻找这些中微子的来源。2017年，IceCube探测到一个高能中微子事件，并进一步将其方向与一个遥远的耀变体联系起来，为利用中微子寻找宇宙高能粒子加速器提供了重要证据。 在李亮看来，这正是此次诺贝尔物理学奖值得关注的地方。“更准确地说，它实际上是交叉学科。”李亮告诉封面新闻记者，这一研究与天文学联系得更加紧密，在国际上通常被称为“astroparticle physics”，即粒子天文物理。 在这个领域里，研究对象一端是人类所知的基本粒子，另一端则是黑洞、超新星、宇宙线等尺度巨大、能量极高的天体。研究者试图通过最微小的粒子，反过来理解最大的宇宙。 “意外，但也不是特别意外。”李亮说。意外之处在于，中微子研究并不是第一次进入诺贝尔物理学奖的视野。2015年，梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳就因发现中微子振荡、证明中微子具有质量而获得诺贝尔物理学奖。 实际上，中微子早已被诺贝尔奖认可。但这一次，诺贝尔奖关注的重点又发生了变化。2015年的获奖工作回答的是一个关于中微子本身的重要问题，中微子会在不同类型之间发生振荡，而这意味着它具有质量。2026年的获奖工作，则把视线进一步推向宇宙：科学家不仅研究中微子是什么，还试图利用它们寻找产生这些高能粒子的宇宙源头。 两次诺奖之间，实际上形成了一条清晰的科学发展路径：从认识中微子本身，到利用中微子认识宇宙。李亮认为，中微子也是人类目前了解得相对较少的基本粒子之一。它几乎不与物质相互作用的特性，让它难以探测，却也恰恰赋予了它独特的价值。 “大家都知道交叉学科比较新兴，特别是它又是研究中微子。”李亮说。这也是为什么，今年的诺贝尔物理学奖在某种意义上既“意外”，又“不意外”。它没有把目光停留在传统意义上的某一个粒子或者某一种实验装置上，而是奖励了一种新的观察宇宙的方法。 粒子物理学过去经常与大型加速器联系在一起。在巨大的加速器中，科学家让粒子获得极高能量，再让它们发生碰撞，通过碰撞产生的新粒子和衰变产物寻找未知的物理规律。这种方法曾经帮助人类不断建立和完善标准模型。 但宇宙本身就是一个巨大的“天然加速器”。黑洞附近、超新星爆发以及其他极端天体环境中，可以产生远超地球实验室条件的高能粒子。对于科学家而言，如何捕捉这些来自宇宙深处的粒子，就成为理解极端宇宙的重要途径。 哈尔岑及其团队所推动的IceCube，正是在这样的背景下诞生。这也意味着，今天的粒子物理已经不再只是“在实验室里寻找粒子”。它正在与天文学、宇宙学等领域越来越紧密地交叉。 诺贝尔奖委员会2026年的物理学奖委员会成员中，也包括粒子天体物理学领域的专家。瑞典皇家科学院此前介绍，今年物理学奖的评审委员会由来自理论磁学、量子物理、原子物理、复杂系统以及粒子天体物理等不同方向的科学家组成。 这种学科边界的变化，或许比一个具体的奖项更加值得关注。过去，物理学家试图把自然界拆分成越来越小的组成部分；如今，他们又在重新把这些部分与更大的宇宙联系起来。一个中微子，可以从遥远的宇宙深处出发，穿越星际空间，穿过地球，最终在南极冰层深处留下一个极其微弱的信号。 而科学家要做的，是从这个几乎转瞬即逝的信号中，反推出它来自哪里、携带了多少能量，以及它可能经历过什么。这是一种从“微小”通往“宏大”的科学路径。 此次诺贝尔物理学奖并不是在宣布中微子研究已经完成。恰恰相反，IceCube所看到的高能中微子仍然只是宇宙的一小部分。科学家还在寻找更多来源、更高能量的中微子，并希望通过更灵敏的探测器获得更丰富的数据。 目前，IceCube升级工程也在推进之中。未来更灵敏的探测能力，意味着科学家可能发现更多高能中微子，并进一步确认它们来自哪些极端宇宙天体。对于一个年轻的交叉学科而言，这或许才是诺贝尔奖最重要的意义。 诺奖似乎在告诉世界：一种曾经看起来十分“另类”的研究方法，已经成为理解自然界的重要工具。从1915年相对论开启现代宇宙学，到20世纪后半叶粒子物理不断建立标准模型，再到今天利用中微子观察宇宙，人类认识自然的方式一直在发生变化。 2026年诺贝尔物理学奖把目光投向南极冰层下的一台“望远镜”，也把目光投向了一个越来越模糊的学科边界。在那里，最小的粒子和最大的宇宙终于被连接起来。而对于仍有大量未知的中微子而言，这次诺奖或许不是答案的终点，而是下一轮追问的开始。