诺奖颁给冰立方：“天马行空的想法，值得被支持几十年”

在南极“俯视”中微子的冰立方中微子天文望远镜。图源：徐东莲

导 读

• 2026年10月6日，冰立方中微子天文台（IceCube）项目发起人弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）获得诺贝尔物理学奖。
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• 《知识分子》编辑李珊珊连线了参与过冰立方项目的中国科学家徐东莲博士。八年前，徐东莲曾经为《知识分子》撰文介绍冰立方。目前，徐东莲是上海交通大学李政道研究所长聘学者、物理与天文学院副教授，同时也是中国首个深海中微子望远镜项目——“海铃计划”（TRIDENT）的发起人与首席科学家。
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• 诺奖报告也特别提到了中国的“海铃计划”。该望远镜正在南海深处3000多米建设，建成后探测灵敏度较冰立方提升三个数量级以上。哈尔岑教授是李政道研究所国际学术咨询委员会委员，曾经数次到上海分享经验，并公开表态支持“海铃计划”。

Francis Halzen 图源：威斯康星大学麦迪逊分校

回忆冰立方工作的岁月，徐东莲形容其为“梦之队”。她这样告诉《知识分子》：

• 团队非常国际化，也非常活跃，年轻人的idea不断涌现出来。我觉得这很大程度上得益于哈尔岑教授本人的科学格局和人格魅力。他营造出一个梦幻般的团队。我一直觉得，冰立方绝对是“梦之队”，它从一开始，几乎就是从无到有地创建了一个全新的领域。 中微子天文台跟一些目标非常明确的实验不太一样。你首先要建一个“望远镜”，可是你在设计它的时候，甚至不知道未来究竟会看到什么，也不知道应该特别针对哪个方向去优化。所以这个领域特别需要很多天马行空的idea，同时也需要有人在很多不同的可能性当中作判断：我们到底应该往哪个方向走？
• 早期是非常困难的。现在回头看，当时很多设计其实并没有一个已经被证明正确的答案，在相当程度上要依靠物理判断，甚至可以说带有“猜”的成分。 我后来也和哈尔岑教授讨论过这个问题。冰立方建成以后其实是非常幸运的，无论是探测器的体量、探测单元之间的间距，还是它整体的探测能力，最后都刚好能够发现天体中微子。如果当时设计的间距再大一些，或者设计方向有所不同，就有可能错过这个能段的信号。但它最后恰好在这个能段发现了信号。
• 这种情况，与其说幸运，我更觉得是：念念不忘，必有回响。 这种天马行空的设想，对我们国家今天也有很大的启发。就像李政道先生曾经提到过的，我们中国，经济发展到今天这个阶段，应该为人类探索宇宙、为文明进步做出更加根本性的贡献。我觉得冰立方给我们的一个很重要的启发就是：一个或者几个科学家天马行空的想法，是值得获得持续几十年支持的。 获奖后，很多人觉得冰立方这个方向“很冷门”。但在我们心里，它一点都不冷门。从80年代有了（利用天然冰体建设大型中微子望远镜）想法，到2012年发现信号，到今天也有十几年了。对我们这个领域的人来说，这从来不是突然冒出来的一件事。

下文为2018年徐东莲为《知识分子》撰写的冰立方2017年检测到高能缪子中微子的故事，那是这台中微子望远镜一个激动人心的发现。原文标题《“耳聪目明”之后，人类至此又多了“第六感”》。

撰文 | 徐东莲

世界协调时间2017年9月22日20:54:30.43 ，冰立方的实时预警系统探测到了IceCube-170922A；43秒之后，该中微子事件的初估方向（RA=77.4°, DEC=5.7°）即通过AMON[1]多信使望远镜网播报给全球相关的望远镜。

之后的几个小时到几个月内，来自全球的超过20个观测设备对该中微子来源方向进行了密集的多波段多信使跟进观测，并发现该方向上有一个正在爆发的蝎虎座BL型耀变体（BL Lac blazar，耀变天体是活动星系核AGN的一种，中心引擎是一个超大质量的黑洞，在黑洞吸积作用下形成强大的相对论喷流，喷流方向指向地球的AGN被称为耀变体）。科学家们综合考虑目前已观测到的全部耀变天体和冰立方已发送过的所有历史预警后确认，该中微子和耀变天体机会巧合的几率超过3倍的标准差（3σ，也就是99.7%可信。通俗地讲，标准差是对目标不确定性的一种度量，在高能物理领域，科学发现要求达到5的置信度。那时，我们才能够确定信号的来源）。

此后，我们又对存档的9.5年数据进行深入的时限（time-dependent）和非时限（Time-independent）跟进分析，在 TXS0506+056方向发现了于2014年12月有19个TeV能级的中微子爆发，但预期的大气本底只有6个，这个独立信号的置信度则达到了3.5倍标准差（3.5σ）。

虽然两个时段的发现都没有达到高能物理5倍标准差（5σ）的黄金标准，但两个完全独立的证据令我们有足够的信心确认：TXS0506+056耀变体确实是高能中微子的源头。

冰立方探测到的290 TeV的缪子中微子事件。该中微子从北半球穿越地球到达南极冰立方探测器底部并与冰分子的某个原子核发生反应，所产生的缪轻子以超（冰中）光速的速度穿越探测器阵列而产生契伦科夫辐射，从而被冰立方的光敏元件探测到。Credit: IceCube Collaboration/NSF

这一串编号TXS0506+056有何深意？这得从神奇的中微子和宇宙射线起源之谜说起。

当一个中微子“死去”时，我们能才探测到它

中微子是一种基本粒子，是构成宇宙万物的基本单元之一。因为它与物质只有微弱的弱相互作用和引力作用，不能被直接探测，所以只能通过研究它与物质反应后的次级粒子来反推其性质。换言之，只有当一个中微子“死去”的时候，才能被我们探测到。

科学家初次探测到中微子是在1956年。然而直到今天，中微子仍有许多未知性质，比如绝对质量等等。对于“中微子是神马？”这个问题，答案要拆开来看：中微子不是“马”，但确实很“神”，小小的粒子能撼动宇宙（相关阅读：撼动宇宙的小粒子）。

百年谜题——高能宇宙射线起源

宇宙射线是高度电离的带电粒子，1912年被维克托·赫斯（Victor Hess，1883 - 1964）发现。但科学家们研究了一个世纪，还是没有弄清楚宇宙射线的起源，尤其是目前所探测到的超高能（1020eV）宇宙射线，它比世界上最大的粒子加速器的能量（1012- 1013eV）还高7-8个能级!

科学家们认为，高能宇宙射线的主要能量是来自于天体磁场冲击波的加速，PeV（1015eV）级以上的高能宇宙射线则来自银河系以外强烈的天体环境，包括活动星系核、超新星爆发等。

这样强烈的加速环境中，超高能的强子过程（hadronic process）会产生高能中微子，而中微子也正是一个验证强子过程最理想的信使，因为只有强子过程才会产生如此高能的中微子！

然而，上述过程所产生的TeV - PeV能段的高能天体中微子的预期流量是非常低的，加上中微子和物质之间微弱的弱相互作用（1 TeV的中微子穿越整个地球仅发生约一次反应），要达到观测高能中微子灵敏度的探测器至少要在1立方公里、十亿吨的量级。

这样的探测器去哪找呢？

正在发射中微子和伽马光子的耀变体（blazar）。Credit: IceCube/NASA

在南极“俯视”星空

答案是坐落在南极地理极点上的冰立方中微子天文望远镜。它于2010年建成，是目前世界上最大的中微子探测器。

冰立方是由5000多个光敏元件组成的阵列，埋在1450米和2450米深的南极冰川里。通过观测中微子反应产生的次级带电粒子在冰川中飞行所发射的契伦科夫辐射（Cherenkov radiation，指的是物体在介质中以超越光在该介质中的传播速度运动时所发出的一种电磁辐射），可以来研究中微子。

那么，作为天文望远镜的冰立方又为何埋在地下？

原来，受海量大气缪子干扰的影响，冰立方很难分辨头顶上飞落下来的中微子；然而，中微子却能轻易穿越地球，带电的缪子却很快被地球吸收，所以我们把整个地球作为一个大气缪子的过滤器，这样冰立方就能看到来自北半球高纯度的中微子，实现从南极“俯视”北半球的星空。

中微子有三种“味”（flavor），与冰原子核反应的时候会在冰立方元件阵列中留下不一样的踪迹。其中，最普遍的是级联（cascade）事件和径迹（track）事件。而后者大多是由缪子中微子所产生，次级的缪子会以近光速扫过整个探测器整列，留下细长的轨迹，因此可以精准地重建中微子来源的方向，是最理想的天文信者。

冰立方实验室。光敏元件深埋在实验室下方，蓝光代表冰立方探测到的是中微子反应所产生次级粒子在冰川里传播产生的契伦科夫辐射。Credit: IceCube/NSF

“联合作战”——多信使发回的“战报”

一个剧烈活动的天体源，必然同时有多种物理过程发生。不同波段、不同信者的望远镜同时观测，则可以形成多角度的全息图像。基于这个想法，冰立方建立了实时预警系统，在探测到有意思的高能中微子时，在不到一分钟内，即向全世界的望远镜发出“预警”。

那么，就在此次实时预警系统响起之后，全球各处的信者又是如何“联合作战”的呢？发回的“战报”结果又如何呢？

就在9月22日初始预警发出的4个小时后，我们完成了对IceCube-170922A更精细的方向重建（跟初始预警方向相差0.14度），并将新方向发送给伽马暴协作网GCN[2]。

· 伽马信者

伽马信者首先加入“战线”！中微子和伽马光子是强子过程的“双生花”，若能同时探测到这两个信者，则中微子和天体源关联的证据会大大增强。

HESS，VERITAS和MAGIC这几个非常高能的（Very-High-Energy, VHE）地面契伦科夫伽马望远镜在收到预警后数小时内即对中微子方向进行了观测，但却没有探测到VHE伽马光子。

图4： 伽马望远镜所探测到的辐射源方向与IceCube-170922A的来源方向叠加，上图是费米空间伽马望远镜，下图是MAGIC伽马望远镜。图片来源: Science 361, eaat1378 (2018)。

9月28日，费米伽马卫星（Fermi-LAT）在全天巡查时首先发现在IceCube-170922A方向上有一个正在爆发的伽马源（对冰立方预警事件方向作跟进观测是费米卫星常规多波段/多信者项目的重要内容）。这个爆发源正是已知的蝎虎BL型耀变天体TXS0506+056，跟中微子最佳方向仅相差0.1度。

费米的全天变化性分析（Fermi All-sky Variability Analysis, FAVA）数据显示：TXS0506+056从2017年4月开始在GeV能段出现增强辐射；AGILE伽马卫星也在2017年9月10-23日探测到TXS0506+056的增强辐射，与费米在这个时期探测到的增强流强相当。

受费米的驱动，MAGIC于9月28日起又对中微子方向作了13个小时的跟进观测，终于探测到了（6.2σ）在80-400 GeV的高能伽马辐射！作了光子与源头物质反应损失能量的修正后，能谱指数（天体源产生的粒子能量分布普遍可以用一个幂律关系Eγ来描述, 可变的γ即是谱指数）接近-2，与探测到的中微子能谱指数相近，经过计算修正之后确认二者有可能产生于同一机制：高能宇宙射线的强子过程。

另外，更高能的HAWC伽玛射线天文台亦作了跟进观测，但没有找到任何高于1 TeV的伽马光子。

· 射电信者

OVRO和VLA 射电天文望远镜分别探测到TXS0506+056的射电流强逐渐增加并产生频变，符合耀变体辐射特征。

· 光学信者

ASAS-SN, Liverpool, Kanata/HONIR, Kiso/KWFC, Subaru/FOCAS 等光学望远镜皆作了跟进观测，并发现TXS0506+056在可见光波段有增强辐射和极化效应。

TXS0506+056 与地球的距离一开始并不知道，因为耀变体连续的强烈辐射掩盖了光谱线而难以精确测量红移。Liverpool, Subaru和VLT等光学望远镜在IceCube-170922A发现不久后作了尝试，但都没有成功。直到2018年2月，红移才被GTC光学望远镜精确探测到（红移 z = 0.34）, 距离地球约40亿光年，事件发生时，地球尚未形成生命。

· X射线信者

Siwft（0.3 keV - 10 keV）, MAXI-GSC（2 keV - 10 keV）, NuSTAR（3 keV - 79 keV）和INTEGRAL（20 keV - 250 keV）等X射线空间望远镜都对IceCube-170922A进行了跟进观测。只有Swift和NuSTAR探测到了相应信号，且符合耀变体的特征。

· 冰立方历史数据分析

在费米卫星确认IceCube-170922A与TXS0506+056耀变体方向重叠时，合作组里即刻炸开了锅！大家都开始头脑风暴，要怎么样才能找到更多相关联的中微子。

彼时，合作组里已经有很成熟的瞬变源快速跟进分析软件（本人亦参与开发），很自然地，我们立即作了一个相对中微子时间正负7天的快速分析，但没有找到更多中微子。

然后大家说，我们要往更早远的时间去找，把这个方向上所有的历史数据都作分析：果然，时限分析在2014年12月前后共110天的时间窗口找到了19个中微子，但预期的大气本底只有6个，显著性3.5σ；非时限的分析则只有2.1σ，因为主要的信号来源也是2014年12月的中微子，却要累积更多的本底。

而两个独立的分析都得到中微子能谱指数接近-2，与伽马信者提供的能谱指数一致。这也是TXS0506+056耀变体发射高能中微子的又一独立证据！

图5：IC170922A方向上的历史数据分析，在2014年12月前后共110天的窗口找到更多的中微子集聚 。图片来源：Science 361, 147-151 (2018)

“耳聪目明”后的“第六感”

多信使天文时代的到来让我们以更多的“感官”去了解我们所在的宇宙，尽管如此，保守来说，百多年前开启的宇宙射线起源问题即使在今天仍未有一个确切的答案。

但TXS0506+056高能中微子的发现表明，有一些耀变体的黑洞可以将宇宙射线加速到PeV能级。部分宇宙射线的加速模型甚至允许TXS0506+056这样的耀变体加速宇宙射线到几十EeV（1019eV），但要验证后者，还需要更多的证据。 冰立方正在计划升级，把探测器灵敏度再提升起码10倍，届时将会更快地探测到更多的中微子，以及更微弱的中微子源。

曾经紧闭的大门，如今终于裂开了一条小缝，门后的世界会精彩无比。如果说引力波的发现使人类获得了聆听宇宙的“耳朵”，使人类“耳聪目明”。那么，鬼魅一般的天体中微子则让人类多了探索宇宙的“第六感”，再结合传统多波段电磁观测这双强大的“眼睛”，幸运的新世纪人类将会感知一个全新的星空。

作者简介

徐东莲，粒子天体物理博士，上海交通大学李政道研究所长聘学者、物理与天文学院副教授，同时也是中国首个深海中微子望远镜项目——“海铃计划”（TRIDENT）的发起人与首席科学家。2008年本科毕业于中国科技大学，2015在美国阿拉巴马大学获得博士学位，曾在冰立方总部威斯康星-麦迪逊大学从事博士后研究。2017年初当选为冰立方青年科学家代表（Early Career Scientist Representative），研究方向为高能天体中微子和中微子天文。

本文责编为吕浩然、金庄维、李珊珊；感谢季向东教授的帮助与指导。

注释：

[1] AMON: The Astrophysical Multi-messenger Observatory Network

[2] GCN: Gamma-ray Coordinates Network

参考资料:
[1] IceCube Collaboration, et al. “Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A.”Science361, eaat1378 (2018) DOI: 10.1126/science.aat1378
[2] IceCube Collaboration. “Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert.”Science361, Issue 6398, pp. 147-151DOI: 10.1126/science.aat2890
[3] MAGIC collaboration, Max Ludwig Ahnen et al. “The blazar TXS 0506+056 associated with a high-energy neutrino: insights into extragalactic jets and cosmic ray acceleration.”ApJL, 2018 (Submitted 2018/07/11), arXiv:1807.04300v1
[4] S. Paiano, R. Falomo, A. Treves, R. Scarpa, “The Redshift of the BL Lac Object TXS 0506+056.”Astrophys. J. 854, L32 (2018).
[5] https://icecube.wisc.edu

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