诺奖颁给“幽灵粒子”捕手！华科大教授解读：中微子打开认识宇宙的全新窗口

极目新闻记者 李碗容

通讯员 黄双子

10月6日，瑞典皇家科学院宣布，将诺贝尔物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑，表彰他对冰立方中微子天文台的决定性贡献，以及发现具有天体物理起源的高能中微子。这个藏在南极冰层下1.5公里、用了近四十年才建成的“巨型探测器”，究竟做了什么？极目新闻记者专访了华中科技大学物理学院副院长吴庆文教授。

南极冰下“捕幽灵”：他建起一立方公里的“光网”

中微子被称为“幽灵粒子”，它几乎不和任何物质反应，能直接从宇宙最深处、最致密的区域逃逸出来，不偏转、不衰减地直达地球。“每秒有万亿个中微子穿过你的身体，你毫无感觉。”吴庆文教授说，正因为这种“孤僻”的特性，中微子成为了一种全新的宇宙探测手段。

哈尔岑教授的核心贡献是在南极冰层里建成了一个前所未有的巨型“宇宙中微子探测器”。冰立方位于南极冰下1.5到2.5公里深处，由5160个光学传感器组成，覆盖一立方公里冰体。为什么必须建在南极？吴庆文解释，中微子与物质反应的概率极低，“在100亿个中微子中，可能只有一个会与物质发生反应”。因此需要极多的物质——约1立方公里的冰或水。南极冰层深处极其纯净，几乎没有气泡和杂质，中微子碰撞产生的微弱蓝光不会被散射或吸收，可以传播很远被传感器捕捉。同时，冰层深处完全隔绝了阳光和地表宇宙射线干扰，背景光极低。

冰立方中微子天文台。图片来源：视觉中国

“当中微子撞上冰层中的原子核时，会产生一个带电粒子，比如μ子。这个带电粒子在冰中高速穿行时，会发出极其微弱的蓝光——这就是探测器要捕捉的信号。”吴庆文说。

2013年，冰立方宣布观测到28个能量超过50 TeV的高能中微子事件，这是首个太阳系外高能中微子存在的确凿证据。2017年9月22日，冰立方捕捉到一个约300TeV的中微子，随即自动向全球天文台发出警报。多台望远镜联合观测后，首次将这颗中微子追溯到一个具体的天体——约30亿光年外Orion星座的一个耀变体。“这意味着中微子天文学完成了从‘发现存在’到‘定位源头’的关键一步，并催生了多信使天文学的新范式。”吴庆文说。

从“发现存在”到“定位源头”：中微子为何是重要信使？

宇宙中高能粒子起源一直是科学界的重大疑难问题。吴庆文指出，宇宙线的“信使”有三种：伽马射线、中微子和宇宙线自身。宇宙线带电，因受星际磁场偏折，无法回溯其起源；伽马射线在传播途中容易被物质和辐射场吸收，无法逃出“隐秘”的致密区域，因此也很难追溯源头。中微子兼具“电中性”与“弱相互作用”两大特性，既能直线飞行不偏转，又能穿透伽马射线无法逃离的环境。

“冰立方”捕捉中微子。图片来源：诺贝尔奖官网

“因此，高能中微子几乎成为人类唯一能够直接‘看到’宇宙线加速器内部并指认其位置的信使。”吴庆文说。

这项成果对理解活动星系核、伽马射线暴、黑洞喷流等极端物理过程提供了独特的“内部视角”。吴庆文团队长期研究黑洞吸积、外流和宇宙早期黑洞，并加入了四川稻城高海拔宇宙线观测站（LHAASO）相关研究。“黑洞是宇宙中最极端的天体，部分黑洞天体产生的极端相对论性外流与周围介质相互碰撞，正是高能中微子最可能的‘诞生地’之一。”吴庆文说，冰立方已探测到这一背景的信号，而它的主要贡献者之一，很可能就是宇宙中那些活跃的黑洞。

“无用之用”与“海铃计划”：中国正从追随走向引领

这项研究看似离日常生活很远，吴庆文却认为，基础研究最重要的作用就是“无用之用”。“100年前爱因斯坦提出广义相对论，并没有认为会直接改变我们生活，但今天我们会发现这些研究深刻改变了人类对宇宙的认识以及我们的生活。如果GPS导航不考虑广义相对论，导航精度完全不够。”吴庆文说，基础研究重在改变人类对自然的认识，在追求突破的同时，一定会发明很多高精度探测技术，“我们无法预知哪一项新技术会改变世界，但历史反复证明：基础研究的回报率，长期看远高于应用研究。”

中国正在推进的“海铃计划”（TRIDENT）备受关注。吴庆文介绍，与南极冰立方相比，海铃计划以南海深层海水为介质，探测体积达8立方公里，采用混合型光电球舱和优化阵列布局，具备更高角分辨率和全味中微子探测能力，且低纬度位置可实现全天区巡天。中国在中微子天文学领域面临独特机遇：形成“LHAASO伽马射线+海铃中微子”的多信使互补格局，有望快速确认并批量发现天体源，实现从追随到引领的跨越，同时带动深海工程等关键技术发展。

近五年诺贝尔物理学奖分别涉及复杂系统、量子纠缠、阿秒脉冲、机器学习、宏观量子隧穿等领域。吴庆文认为，这呈现出一个清晰趋势：“发现自然规律”与“创造观测工具”的结合。2026年回归天体物理与粒子物理的经典交叉领域，延续了阿秒脉冲和宏观量子电路的精神：先造出新的“眼睛”，再用它去探索神秘的未知世界。

哈尔岑从提出构想到最终获奖历经近四十年。吴庆文感慨，真正原创的突破往往需要长期积累、稳定支持和耐心。“对青年学者来说，选择长周期基础研究，要能承受短期产出压力，也要善于融入大团队、大装置和国际合作。”对华中科技大学物理学院和天文学科来说，这类成果也提示：要鼓励面向重大科学问题的长期布局，支持青年人才参与国际前沿项目，同时加强理论与观测、天文与粒子物理、工程与数据的交叉培养。“基础研究的突破，往往来自‘坐得住冷板凳’的人，也来自能持续提供平台和制度支持的环境。”

（来源：极目新闻）