详解2026诺贝尔物理学奖：他在南极捕获了宇宙的“幽灵信号”

2026 年 10 月 6 日北京时间 17 时 45 分许， 比利时科学家弗朗西斯·赫尔任（Francis Halzen）因对IceCube中微子观测站作出决定性贡献，并发现源自天体物理的高能中微子，获得 2026 年诺贝尔物理学奖。

弗朗西斯·赫尔任（Francis Halzen）1944年生于比利时蒂嫩。1969年获比利时荷语鲁汶大学（KU Leuven）博士学位。现为美国威斯康星大学麦迪逊分校教授。

弗朗西斯·赫尔任（Francis Halzen）为一门全新的天文学分支奠定了基础。他的设想是利用南极的冰川冰捕获被称为中微子（neutrino）的隐秘粒子。最终建成的冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）能够追踪源自遥远宇宙的中微子。

© 约翰·亚内斯塔德（Johan Jarnestad）/瑞典皇家科学院

中微子是宇宙中最“害羞”的粒子，不带电荷，质量几乎为零。通常情况下，它会不受阻碍地穿过物质——极少会有中微子与原子核发生碰撞，让人们察觉到它的存在。每一秒，都有650亿个来自太阳的中微子穿过你的小指甲盖，而你完全不会察觉。

中微子也来自宇宙的其他区域，携带了破解若干宇宙谜团的关键线索。研究人员一旦成功捕获这些更为稀有的宇宙中微子，就能从中提取信息，了解这些中微子诞生的宇宙极端环境。

早在上世纪80年代，弗朗西斯·赫尔任就意识到，南极冰体非常适合捕获足够数量的这类隐秘中微子，帮助研究人员进一步了解它们的遥远起源。他很快就让许多同行认可了这个想法的潜力，1992年，一批坚韧不拔的研究人员和工程师首次尝试将光传感器下入南极冰川。大约20年后，突破终于到来：冰立方中微子望远镜记录到了一批中微子，其特征让研究人员确信它们来自遥远的宇宙空间。对宇宙中微子源的搜寻由此正式拉开帷幕。

粒子物理与天体物理的交汇
赫尔任在比利时长大。上世纪60年代，粒子物理领域的进展深深吸引了他，最初他的研究方向是由夸克构成的大质量粒子。博士毕业不久后，他就前往美国威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin–Madison）。后来他逐渐意识到，粒子物理可以从抵达地球的太空粒子中获得哪些启发，反过来，天体物理又能如何借助粒子物理的方法取得进展。

搜寻中微子的研究动力，来自对完全不同类型粒子的观测。宇宙中始终穿行着一类统称为宇宙射线的粒子。通常这类粒子是质子，也就是裸露的氢原子核。来自太空的质子抵达地球时，有时携带的能量高得惊人，远远超过地球上粒子加速器所能赋予粒子的能量上限。

能量最高的宇宙射线起源问题，一直是宇宙中最难解的谜团之一。因为物理学原理告诉我们，能将质子加速到极高能量的过程，也会产生高能中微子，因此中微子可能为破解这些宇宙粒子加速器的奥秘提供关键线索。

如果能成功识别携带极高能量的中微子，研究人员就能将它们与能量低得多的中微子区分开——后者要么来自放射性物质的衰变，要么来自太阳，要么是宇宙射线撞击地球大气层时产生的。那些并非来自地球周边的中微子，一定来自极其遥远的地方：可能来自恒星爆炸区域的剧烈活动过程，也可能来自遥远的活动星系。

冰中的闪光

上世纪80年代，赫尔任在研究宇宙粒子时听说，苏联研究人员计划在南极使用无线电接收器捕获中微子信号。他们的设想是，当中微子与冰中的原子核碰撞时，会产生电火花，进而发出无线电波。如果信号足够强，就可以用无线电天线捕获到。赫尔任从中获得启发，意识到另一种方法是在冰川中安装光传感器，捕捉碰撞产生的闪光。

此前在1960年前后，就有几位物理学家提出，水可能是捕获太空中微子的优质介质。当中微子与原子核发生罕见碰撞时，会产生带电粒子；这种粒子的运动方向与原初中微子一致，还会发出蓝光。由于水是透明的，这种光可以被探测到。只要配备合适的设备，就可以确定光的传播路径，甚至反推出中微子的来源。最关键的一点是，需要足够大体积的水，才能观测到大量中微子碰撞留下的痕迹。

赫尔任的设想是用天然冰代替水。他联系了自己的研究同事约翰·G·利德（John G. Learned），当时利德正在参与DUMAND项目。这个项目和赫尔任的设想类似，目标是在夏威夷附近清澈的深海中，捕获中微子发生相互作用时产生的光信号。两位物理学家共同探讨了在南极捕获中微子的机遇与挑战。1988年，他们在波兰的一次会议上首次公开了在南极冰体中建设中微子天文台的构想。

设在南极的中微子望远镜

弗朗西斯·赫尔任意识到，将中微子天文台设在地理南极有诸多优势：那里已经建有科考站，有完善的定期运输保障体系，团队开展工作所需的一切条件都已具备。

冰作为探测介质也有很多优点。在足够深的位置，环境始终是黑暗的。与海洋不同，这里没有生物活动的干扰，放射性物质的本底水平也很低。冰体状态稳定，能为在设施中工作的人员提供坚实的作业面。所在区域地质稳定，没有地震活动。

一个缺点是，南极的严寒使得一年中大部分时间都无法往返。所有实际作业必须在短暂的南极夏季开展，也就是11月到次年2月之间。

© 约翰·亚内斯塔德/瑞典皇家科学院

最初，赫尔任满足于开展理论研究，而利德一直忙于自己的项目，再也没有回到两人关于在南极捕获中微子的构想上来。这个故事本可能就此结束——但这个构想引发了广泛关注，短短几年内，就有来自不同机构的研究人员聚集到赫尔任身边，共同推动他在南极建设中微子天文台的想法落地。

首先，他们需要解决将仪器深埋冰体带来的所有实际问题。他们从冰川学家那里了解到，可以使用一种精密的淋浴头式装置，通过热水融冰，钻出千米深的孔洞。之后就可以将串着光传感器的长缆线下入注满融水的孔洞中。赫尔任将这些传感器形容为“反向的灯泡”——这种仪器会捕获

光线，再将其转化为电信号。

冰中的气泡可能引发问题

研究团队首先尝试将传感器沉入格陵兰的冰体中，检验传感器能否记录到冰中粒子产生的光信号。之后他们开始在南极建设第一座中微子天文台，也就是冰立方的前身：AMANDA。

赫尔任曾回忆，1993年平安夜，他坐在餐桌旁，把电脑放在腿上，等待消息确认第一根搭载光学模块的缆线已经成功安装到冰体中。

冰体的上层充满气泡，会将光线散射到不同方向，模糊粒子运动的相关信息，因此最初的几次尝试结果都不尽如人意。但人们后来发现，在1400米深度以下，冰体极其纯净透明。在这个深度，中微子产生的闪光可以传播300米才被吸收，远超所有人的预期。这个中微子项目的一个意外收获是，研究人员对不同深度的冰体性质有了大量了解。

AMANDA的建设一直持续到2000年1月。所有设备都按预期运行，但它还不足以满足探测来自宇宙粒子加速器的高能中微子的需求。需要更大的探测体积，因此冰立方项目随之启动——这是一座覆盖1立方千米冰体、配备光传感器的观测设施。冰立方在2011年达到完整规模，共搭载5160个光传感器，分布在86根缆线上。

多年来，赫尔任一直发挥着牵头协调的作用，先是推动AMANDA项目，之后又推动冰立方项目。作为一名尽责且充满热情的首席研究员，他带领这些项目从最初的构想阶段，走到完成测量、取得科学成果的阶段。

冰立方终于捕获宇宙中微子

像冰立方这样的中微子天文台，探测到的不只是研究人员寻找的那些中微子。这些宇宙中微子的信号，需要在宇宙射线进入地球大气层产生的本底信号中筛选出来。其中一些粒子可以穿透冰层，到达冰面下1450米至2450米深处的传感器。每天，南极上方的大气会产生超过1亿个这样的粒子，被传感器记录到。宇宙射线还会在大气中产生中微子，其中每天有数百个中微子会从北半球穿过整个地球，抵达冰立方。

要找到宇宙中微子，研究人员必须筛选出中微子在冰中发生相互作用的特定事件。即使无法完全确定某一个中微子是否来自地球之外，也可以分析所有筛选出的事件，从整体上判断这些事件的特征是否符合宇宙中微子的预期，是否与大气中微子存在差异。2013年，研究团队报告了首批证据，支持他们确实发现了宇宙中微子；几年后，他们积累了足够多的数据，可以确认这一发现。

研究人员希望从宇宙中微子中了解到什么？

中微子天文学的起步规模很小，早在上世纪60年代，雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr.）就观测到了来自太阳的中微子。日本神冈中微子天文台（Kamiokande）的研究团队在小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）的带领下证实了这一观测结果，因为他们能够确定中微子的传播路径，追溯其来源。

1987年，神冈探测器捕获了一批中微子，这些中微子可以与邻近星系大麦哲伦云中的一颗爆炸恒星（即超新星）关联起来。这一发现很快得到了补充，美国和苏联也同时开展了中微子测量，获得了相关数据。

雷蒙德·戴维斯和小柴昌俊凭借这些突破获得了2002年诺贝尔物理学奖，这些成果证明，中微子可以用于研究宇宙中的现象。

一个问题始终没有解决：雷蒙德·戴维斯捕获的中微子数量，只有太阳内部反应理论计算预测值的三分之一。后来人们发现，这一问题的原因与中微子存在三种类型有关。物理学家了解到，中微子可以“变形”，也就是一种类型的中微子产生后，抵达地球的探测仪器时可能已经变成了另一种类型——而观测这类变形后的中微子，需要采用与雷蒙德·戴维斯当年使用的不同的技术。

中微子的可变特性是通过日本和加拿大的实验揭示的，2015年诺贝尔物理学奖颁发给了梶田隆章（Takaaki Kajita）和阿瑟·B·麦克唐纳（Arthur B. McDonald），以表彰他们的这一发现。

© 约翰·亚内斯塔德/瑞典皇家科学院

因此，中微子帮助物理学家验证了关于太阳内部过程、超新星内部演化的模型。冰立方的设计初衷是将中微子天文学提升到新的高度，人们希望中微子能够提供那些被尘埃云遮挡的现象的信息，或是那些距离过远、其他形式的辐射在传播途中已经消散的天体的信息。目标是获得通过其他任何方式都无法得到的知识。

与质子相比，中微子的优势在于不带电荷。带电的质子在太空中穿行时，路径会被途经的磁场弯曲，因此无法通过追踪质子的行进方向来反推其起源。但加速质子的过程也会产生中微子，而中微子不受磁场影响，因此，通过追溯最高能量中微子的传播路径，应该就可以推断出宇宙射线质子被加速的位置。

来自宇宙最剧烈活动过程的另一类信使是伽马辐射。伽马辐射在穿越太空的过程中，与光和物质相互作用时会不断衰减，而中微子则不受影响。

未来可期的更多成果

一个重要目标是确定天体中微子的单个来源。冰立方已经发现了若干潜在来源，其中一个是活动星系NGC 1068（也称为M77）。在冰立方记录到的中微子中，有79个似乎来自该星系的方向。但这一证据还不够充分，无法最终确认NGC 1068就是中微子源；传感器捕获的中微子数量越多，找到其起源的概率就越大。

近年来，冰立方的研究人员还观测到了来自我们所在的银河系的高能中微子。他们推测，这些中微子是宇宙辐射与恒星之间稀薄气体中的原子碰撞时产生的。

未来几年，随着其他研究团队沿着冰立方开辟的道路前进，我们肯定会听到更多关于中微子天文学的进展。北半球还有几座处于不同研发阶段的中微子望远镜，它们建在水中而非冰里。上世纪80年代启发了弗朗西斯·赫尔任的DUMAND项目在1995年终止，但它积累的经验通过其他多个项目延续了下去，比如贝加尔湖、地中海、南海以及加拿大西海岸的相关项目。与此同时，冰立方仍在持续捕获中微子。南极的下一轮扩建目前已经在规划中，届时冰立方-Gen2（IceCube-Gen2）将覆盖整整8立方千米的冰体，规模令人惊叹。

诺贝尔奖官方网站：

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