82岁诺奖物理学得主哈尔岑，他把南极的冰变成了望远镜

他用近四十年，打开了观察宇宙的新窗口。

每个人都见过冰。弗朗西斯·哈尔岑却想用它看见宇宙。

在南极点附近，冰面下1450米至2450米之间，5160个光学传感器沿着86条电缆排列，守候着极其微弱的闪光。包围它们的约一立方公里冰体，构成了冰立方中微子天文台。它没有朝向天空的镜头，却能接收宇宙深处传来的消息。

2026年10月6日，82岁的哈尔岑获得诺贝尔物理学奖，获奖理由是他对冰立方中微子天文台的决定性贡献，以及对天体物理起源的高能中微子的发现。

他最初研究的是理论物理。后来，工作中出现了越来越多原本不属于理论家的问题：去哪里找足够透明的冰，怎样把传感器送进两公里深处，如何取得建设经费。诺奖所表彰的发现，需要这些事情先有答案。

从20世纪80年代中期开始研究中微子望远镜，到今天获奖，这件事占据了他近四十年的生活。2018年接受Space.com采访时，哈尔岑回顾自己从理论转向实验的经历，说这让他终于找到了想用一生去做的事。

一次六个月的访问，延续了半个世纪

哈尔岑1944年出生于比利时，1966年取得硕士学位，1969年取得博士学位。早年的研究围绕粒子物理展开。

1971年，他在欧洲核子研究中心工作时，接到同事邀请，前往威斯康星大学麦迪逊分校访问六个月。那次短期访问最终变成了长期生活，他此后一直留在这所大学。

他熟悉的是方程、粒子和理论预测。到了20世纪80年代中期，他与博士后恩里克·萨斯开始讨论另一种可能：能否造一台用中微子观察天空的望远镜？

这个想法有几条不同的来路。2014年接受Jot Down采访时，哈尔岑回忆，自己常去夏威夷，与当地理论物理学家合作，午餐时会遇到研究深海中微子探测器DUMAND的人。与此同时，他正与萨斯研究中微子在冰中产生的无线电信号。海水探测器的设计思路与冰中的粒子研究，在这些交往和工作中碰到了一起。

他需要把这些思路变成一项实验。理论能够说明中微子为什么值得寻找，仪器能否看见它，则取决于透明介质、光学传感器和信号分析。在冰里，气泡与尘埃造成的散射都可能影响判断。

哈尔岑选择的中微子，恰好是一种很难留下痕迹的粒子。它不带电，与物质的相互作用极弱。大量中微子可以穿过地球，沿途几乎不受打扰。对于想捕捉它的人，这种特性意味着困难；对于想追查它来自哪里的人，这又是一项优势。

宇宙中存在能把粒子加速到极高能量的天体环境。科学家能在地球上接收到高能宇宙线，却很难仅凭它们找到出发地点：带电粒子会受磁场影响，抵达地球时，方向已经改变。中微子没有电荷，可以保留更直接的来向信息，为追查这些宇宙“加速器”提供线索。

哈尔岑要做的，是给这种信使准备一台足够大的接收器。

先证明，冰可以用

用天然介质探测中微子的想法早已有之。1960年，苏联物理学家莫伊谢伊·马尔科夫提出，可以把探测器安装到深湖或海洋里，通过粒子产生的光追踪其方向。

天然水体提供了人工容器难以承担的体积。哈尔岑和同事则把目光转向南极冰层。他们希望借助天然冰体，将探测范围扩大到公里尺度。但在一块冰真正成为探测器之前，透明度必须经过测量。

选择南极还有现实原因。哈尔岑在2018年的专访中说，那里已有美国国家科学基金会的研究站，能够提供设施与后勤；若要另建一座站，团队承担不起费用。

冰立方的前身AMANDA承担了这项验证。1993至1994年的南极夏季，研究团队在冰下800至1000米部署了四条传感器链。热水钻孔、下放设备，看起来已经搭起了一台望远镜的雏形，冰层却给他们出了难题：这个深度的冰含有太多气泡，影响了信号的准确观测。

当时，团队并未掌握足够的深层冰光学数据。哈尔岑后来承认，起步时并不知道冰是否足够透明，部分已有测量甚至让前景显得不乐观。

团队继续往深处寻找。在此后的建设中，他们把传感器部署到1500米及更深的位置，确认那里存在适合探测的透明冰。这一结果进入了后来冰立方的设计。

实验改变了他们对材料的认识：限制早期观测的浅层冰，并不代表更深处的条件。AMANDA取得的测量结果，为扩大探测范围提供了依据。

1999年11月，新成立的冰立方合作组向美国国家科学基金会及比利时、德国、瑞典的合作伙伴提交了一份67页的建设提案。威斯康星大学麦迪逊分校担任牵头机构，哈尔岑担任项目首席研究员，鲍勃·保洛斯担任项目经理。

提案递交后，资金审批仍有几道关。美国国家研究委员会2004年发布的项目史记载，2000年，美国国家科学委员会同意将冰立方建设经费纳入预算申请；启动资金在2002年释放后，项目开始招聘工程师和管理人员。

与此同时，白宫科技政策办公室对不同中微子项目的科学目标是否重复提出疑问，要求开展评估。后续报告认为，冰立方与地下科学实验室不存在实质性重复：前者主要面向高能中微子，后者为较低能中微子研究提供低背景环境。项目要获得支持，还需要说明它与已有设施各自能回答什么问题。

与重新冻结的冰孔赛跑

南极给施工团队的时间很有限，施工团队只能利用南半球夏季的几个月，平均每个钻孔需要约48小时，随后还要花约11小时下放电缆与传感器。

钻孔依靠热水熔化冰层。水一边打开通道，低温一边让通道重新冻结，设备必须及时沉入其中。孔洞最终重新冻实，传感器留在深处，成为冰体的一部分。

设备冻入冰中以后，维修十分困难。哈尔岑在2018年的专访中把它比作向下发射的卫星：一旦出问题，就无法轻易接近。

这样的工作持续了七个建设季。2010年12月，最后一条传感器链进入冰层；2011年5月，完整配置的冰立方开始正式采集物理数据。

整座装置的建设成本为2.79亿美元，其中美国国家科学基金会承担约2.42亿美元。传感器的设计、生产和测试涉及美国、德国、瑞典等地的机构。

在这座望远镜里，科学家寻找的是中微子偶尔与物质发生相互作用时产生的次级带电粒子。这些粒子在冰中的速度可以超过光在冰中的传播速度，留下切伦科夫光。传感器记录光抵达的时间与强度，研究人员据此推算原来粒子的能量和方向。

传感器之间的距离同样要提前确定。哈尔岑回忆，设计采取保守间距，确保探测范围重叠、便于校准。冻入冰层以后，位置就无法调整。

完整装置开始运行后，研究人员继续处理另一项贯穿项目始终的难题：地球大气产生的大量粒子信号混在数据里，怎样从中辨认遥远天体的消息？

先找到信号，再追查来处

最早引起注意的两个高能事件，有两个亲切的名字：Bert和Ernie，取自《芝麻街》中的角色。

它们分别来自2011年8月和2012年1月的观测。研究人员在数据中识别出它们时，发现其能量达到了拍电子伏量级，也就是约一千万亿电子伏。

但两个异常事件还不足以完成论证。科学家必须判断，它们是否可能来自已知的背景过程，并寻找更多证据。

2013年11月，冰立方合作组在《科学》发表结果：分析2010年至2012年的数据，共找到28个高能事件，超过背景过程的预期，为天体来源的高能中微子提供了坚实证据。

从确定合适的冰层，到记录设备的信号，再到排除背景解释，项目终于获得了支撑中微子天文学的观测结果。不过，这批事件尚未给出每个粒子的出发地点。

2017年9月22日，冰立方探测到一个高能中微子事件，并发出警报。不同波段的望远镜随后参与观测，把线索指向耀变体TXS 0506+056。团队回查历史数据，在同一方向又发现了一批较早的中微子事件。2018年公布的研究，为这种活跃星系是高能中微子来源提供了证据。

警报让不同仪器能够围绕同一条线索开展观测。冰立方提供中微子的到达信息，其他望远镜记录相应方向的天体活动，历史数据又为判断补充证据。

2022年，冰立方公布来自活跃星系NGC 1068的中微子辐射证据；2023年，合作组又报告了银河系平面的高能中微子信号。研究对象从最初的零散事件，逐渐延伸到具体天体与我们的银河系。

这些发现仍未解决宇宙线起源的全部问题。但它们让科学家有了可以继续追问的地点，有了新的观测工具。

他还想看见什么

冰立方的发现以合作组名义发表。哈尔岑推动科学目标与项目建设，钻探团队负责打开冰层，工程师设计与测试设备，研究人员从数据中辨认事件。1999年的提案上，首席研究员与项目经理已经分别承担职责。

2025年接受美国物理学会采访时，哈尔岑仍期待更灵敏的探测器能够带来意料之外的发现。他没有把既有成果视作最后的答案。冰立方找到了一些高能中微子的来处，宇宙如何制造这些粒子，仍有许多问题等待观测。

当年决定用冰探测中微子时，哈尔岑还不知道南极深处的冰是否足够透明。近四十年后，他和同事已经循着冰中的微光，找到遥远星系传来的消息。82岁获得诺贝尔奖，他仍想知道宇宙中还有什么尚未发现。南极冰下的传感器还在继续记录着，下一次闪光会带来什么，仍要等数据给出答案。

参考资料：

诺贝尔奖官方账号：2026年诺贝尔物理学奖获奖公告

路透社：Francis Halzen wins Nobel Physics Prize for Antarctic “ghost particle” hunt（2026年10月6日）

美国物理学会：Francis Halzen and the search for ghost particles（2025年12月）

巴尔赞基金会：Francis Halzen: Bio-bibliography

冰立方中微子天文台：探测器原理与建设介绍

美国国家科学基金会：IceCube: A decade in review（2021年5月13日）

冰立方中微子天文台：IceCube pushes neutrinos to the forefront of astronomy（2013年11月）

冰立方合作组：Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector，《Science》342，1242856（2013）

冰立方中微子天文台：IceCube neutrinos point to long-sought cosmic ray accelerator（2018年7月）

冰立方中微子天文台：IceCube neutrinos give us first glimpse into the inner depths of an active galaxy（2022年11月）

冰立方中微子天文台：Our galaxy seen through a new lens: neutrinos detected by IceCube（2023年6月）

Space.com：'Godfather of IceCube' Talks Hunting Neutrinos（2018年）

Jot Down：Francis Halzen专访（2014年）

美国国家研究委员会：Setting Priorities for Large Research Facility Projects Supported by the National Science Foundation，附录C（2004年）