解读2026年诺贝尔物理学奖：在南极冰层中捕捉宇宙中微子

中青报·中青网记者 李思

中微子无处不在，却又缥缈难寻。它们不带电荷、几乎没有质量，能不被察觉地穿透地球与人体，因此被称为宇宙中最"腼腆"的粒子。每一秒，约有650亿个来自太阳的中微子穿过你的小指指甲；极少数情况下，单个中微子会与原子核发生相互作用，这为研究者提供了捕获它们的机会。

宇宙中存在天然的粒子加速器，其粒子能量可达地球上实验室所能实现水平的一百万倍。但这些粒子源仍有许多未解之谜：它们是什么？分布在哪里？内部的物理过程又是怎样的？

北京时间10月6日，记者从诺贝尔奖官网获悉，2026年诺贝尔物理学奖揭晓。美国科学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）获奖，以表彰其“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”

宇宙中最"腼腆"的粒子

高能中微子与其他粒子产生于相同的环境，但中微子在抵达地球的过程中既不改变方向，也不损失能量，因此携带着宇宙诸多谜团的线索。若将其捕获，研究人员便可提取其诞生地——宇宙极端环境的信息。

探索中微子的动机，源自对另一种粒子的观测：宇宙中持续存在着被统称为"宇宙射线"的粒子流，最常见的是质子。来自太空的质子有时以惊人的能量抵达地球，远超地球粒子加速器的水平，而最高能宇宙射线的起源一直是最隐秘的谜团之一。能将质子加速至极高能量的过程同样会产生高能中微子，因此中微子是寻找宇宙粒子加速器的关键线索——高能中微子可与源自放射性衰变、太阳活动或宇宙射线撞击大气层的低能中微子区分开来，而那些并非源自周围环境的中微子，必然来自极遥远的恒星爆发区域或活跃星系。

哈尔岑在比利时长大，20世纪60年代投身粒子物理学，博士毕业后前往美国威斯康星大学麦迪逊分校任职。

20世纪80年代，哈尔岑得知苏联研究人员计划在南极用无线电接收器捕捉中微子信号：中微子撞击冰核会引发电火花、产生无线电波。他由此想到另一种方案：在冰川冰层中安装光传感器，探测碰撞产生的闪光。此前已有物理学家提出用水捕捉中微子，但那需要极大的水体。哈尔岑的构想是用天然存在的冰而非水。他联系了参与DUMAND项目的同事约翰·G·勒纳德（John G. Learned）——该项目旨在从夏威夷附近的海水中捕捉中微子。1988年，两人在波兰的一次会议上首次提出在南极冰层中建造中微子天文台。

此后，多个机构的研究人员聚集到哈尔岑周围，首先要解决把仪器深置冰层中的实际问题：钻出深达千米的孔洞，再把串有光传感器的长缆沉入注满水的钻孔中。哈尔岑将这些传感器形容为"反向灯泡"——它先捕获光线，再将其转换为电信号。1992年，一批研究人员与工程师首次将光传感器沉入南极冰川。

研究团队先在格陵兰岛的冰层中试验传感器，随后开始在南极建造首个中微子观测站——冰立方的前身AMANDA。哈尔岑曾回忆，1993年圣诞前夜，他坐在餐桌旁等待首条光模块电缆铺设成功的消息。

冰层上层布满气泡，会把光线向不同方向散射、模糊粒子运动轨迹的信息，因此最初的实验结果不尽如人意。但在深度低于1400米处，冰层展现出极高的纯净度与透明度，中微子产生的光脉冲可传播300米后才被吸收，远超此前预期。AMANDA的建设持续到2000年1月，却尚不足以探测来自宇宙粒子加速器的高能中微子。团队由此决定扩大装置体积，启动冰立方项目——在1立方千米的冰层中部署光传感器阵列。2011年，冰立方完成最终部署，共配备5160个光传感器，分布于86条电缆之上。多年来，哈尔岑始终发挥着催化剂般的作用，将项目从构想推进到全面测量并取得科学成果。

捕获"来自太空的信使"

中微子天文学发端于20世纪60年代：小雷蒙德·戴维斯观测到来自太阳的中微子，日本神冈中微子观测站的小柴昌俊团队随后证实并追溯其来源。1987年，神冈探测器捕获的一阵中微子，与银河系近邻的大麦哲伦云中一次超新星爆发联系起来，这一发现得到美国与苏联同期测量的印证。戴维斯与小柴昌俊因此获得2002年诺贝尔物理学奖。

冰立方探测到的，远不止研究人员所寻找的：宇宙中微子必须在宇宙射线进入大气层所产生的信号背景中被识别出来。每天约有数亿个此类粒子被地表下方1450至2450米的传感器记录到；宇宙射线也会在大气层中产生中微子，每日有数百个穿越地球后从北半球抵达冰立方。为探测宇宙中微子，研究人员必须筛选出中微子与冰层发生相互作用的事件，再整体分析检验其特性是否符合对宇宙中微子的预期、并区别于大气中微子。在首次沉放传感器约二十年后，冰立方记录到若干中微子，其特性令研究人员确信它们源自遥远的太空；2013年，冰立方团队首次公布支持其确实探测到宇宙中微子的关键证据，数年后积累的数据已足以定论。

这些能把粒子加速到地球上实验水平一百万倍的剧烈事件，其辐射作为"信使"抵达地球，携带着起源的信息；中微子则能揭示其他辐射无法提供的信息，帮助物理学家验证关于太阳内部与超新星内部过程的理论模型。冰立方的核心目标是将中微子天文学推向新高度——揭示尘埃云遮蔽的现象，或带来那些因距离过远、其他辐射已在途中衰减的天体的信息。中微子优于质子之处在于不带电：带电质子的轨迹会因磁场而弯曲，无法据其方向推断起源；中微子不受磁场影响，追溯其传播路径即可推断宇宙射线质子的加速源。

一项重要目标，是确定宇宙中微子的具体来源。冰立方已发现若干潜在来源，其中之一是活动星系NGC 1068（亦称M77）：记录到的中微子中，有79个似乎源自该星系方向，但尚不足以为其"确源"——捕获的中微子越多，追溯来源的可能性就越大。近年来，研究人员已能探测到源自银河系的高能中微子，推测它们产生于宇宙辐射与恒星间稀薄气体的原子碰撞。

未来几年，中微子天文学必将引发更多讨论。北半球还有几座以水为介质的望远镜正处于研发阶段；DUMAND项目已于1995年结束，但其经验通过贝加尔湖、地中海、南海及加拿大西海岸海域的多个项目延续下来。与此同时，冰立方仍在持续捕获中微子，南极的下一期扩建计划正在制定中，届时"冰立方-Gen2"将覆盖规模惊人的八立方千米冰体。