一文读懂2026诺贝尔物理学奖：穿透地球的中微子，是怎么被“抓住”的？

2026年诺贝尔奖陆续揭晓。科普中国推出诺奖成果解读系列文章，本号予以转发。本期，让我们一同聚焦诺贝尔物理学奖，了解这项前沿物理突破→

2026年10月6日，瑞典皇家科学院决定将2026年诺贝尔物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），以表彰他“对冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）以及捕获天体物理起源高能中微子领域作出的决定性贡献。”

水立方大家都熟悉，可这个“冰立方”又是什么呢？为什么要用它来“抓”中微子呢？这事儿得从中微子的特性说起。

图源：诺贝尔奖官网

到处都是，却抓不着

中微子是广泛存在于宇宙中的一种基本粒子，恒星（如太阳）内部的核聚变以及核电站的核裂变都能够产生海量的中微子。在地球上，指甲盖大小的面积，每秒就有600亿个太阳中微子浩浩荡荡地通过。与此同时，在宇宙深处，还有一些目前还没有被很好理解的物理过程可以产生更加神秘的极高能中微子。

但我们对此毫无知觉，这是因为中微子质量极小，并且不带电荷，在宇宙的4种基本作用力（指引力相互作用、电磁力相互作用、强相互作用力和弱相互作用力，控制着宇宙中各种物理现象和自然规律）中，它只参与引力作用与弱相互作用。

由于中微子完全不参与电磁相互作用，这使得中微子在穿过一般物质时基本不会受到阻碍，因此在它们面前，整个地球乃至太阳都是“透明”的。打个比方，穿过地球，100亿个中微子里才能被截住一个，想要抓住和研究它们，难度可想而知。

选址南极，就地取材

20世纪80年代，当时哈尔岑的研究方向是宇宙粒子，他听说苏联的研究人员有在南极建设捕捉中微子信号的探测器的打算。尽管中微子几乎不与任何物质发生作用，但由于它们的总量极其庞大，偶尔还是有少数中微子撞到原子核，在弱相互作用的加持下，与质子发生反应，产生一个中子和一个正电子，进而激发出可以探测到的电磁波。

哈尔岑从这条消息中受到启发，但他判断此类相互作用过于微弱、难以被苏联团队构想的南极科考站无线电天线捕捉。而使用光传感器探测高能中微子捕获事件所产生的光则更具可行性。这种光又叫切伦科夫辐射，指带电粒子在某种介质（比如冰或者水）中的运动速度超过光在介质中的传播速度时激发出的蓝光。但是前文已经说了，中微子穿透能力太强，要想截住并观测到它们，就需要巨量的冰或水等媒介，项目建设和维护难度极大。

而哈尔岑则提出了一个好主意，可以将南极深层冰作为捕获介质，这个构想的妙处在于：除了南极冰层清澈、黑暗、巨大、稳定的天然优势之外，这座巨大的探测器的建设和维护成本也会远低于人工建造同等体积的实验室。

ICECUBE实验室。图源：wiki

他从1987年开始参与并推动南极μ子和中微子探测器阵（Antarctic Muon And Neutrino Detector Array,AMANDA）实验。AMANDA将数百个光学传感器埋入南极冰层，验证了用冰做中微子望远镜的可行性，并在2001年左右发表了相关高能中微子观测结果。AMANDA是概念验证，证明了千米尺度探测器的可行性，也暴露了气泡干扰和宇宙射线本底等问题。

在AMANDA的成功基础上，哈尔岑积极倡导建设规模大得多的冰立方，冰立方的体积约1立方千米。这块冰有多大呢？如果把它化成水，可以装满近70个西湖，或40万个奥运标准泳池。

这块冰埋深约1450–2450米，最终部署约86串、5160个数字光学模块，2011年投入全面运行。作为首席研究员，哈尔岑长期领导威斯康星冰立方粒子天体物理中心（WIPAC）及相关合作组，负责科学方向、运营与升级规划。

冰立方结构参考图。图源：https://icecube.wisc.edu/

冰立方都发现了啥？

在哈尔岑的领导下，冰立方取得了一系列开创性成果，成为高能中微子天文学的骨干力量，这里稍举几例：

·2013年，首次观测到PeV能区的高能天体物理中微子（能量远超加速器产生的中微子），并确认存在超出本底的河外高能中微子通量。

·2017–2018年，将耀变体TXS 0506+056关联到高能中微子事件IceCube-170922A，并结合其他望远镜观测，首次将高能中微子与具体天体源联系起来。

·2022年，IceCube发现了近邻星系NGC 1068中心被浓密物质遮蔽的活动星系核区域可以发射高能中微子的证据，为研究那里难以通过电磁辐射直接观测到的高能物理过程提供了新线索。

·2023年，IceCube用中微子描绘了我们的银河系，发现了来自银河系平面的弥漫的高能中微子信号。这些信号与高能宇宙线撞击星际物质产生中微子的理论预期相符。

冰立方每年探测大量中微子，从中筛选出河外高能成分，其能量通量与费米卫星观测的河外高能光子通量相当。探测器还用于搜索暗物质、研究中微子自身性质等。

这些成就读起来让人云里雾里，也会让人有疑问“中微子的研究好像并不像很多诺奖成果那样，能直接改变我们的生活，为什么能得诺奖呢？”其实诺贝尔奖并不是按照对日常生活的影响来评判一项发现的科学价值。基础科学的重要贡献，有时在于为人类打开认识自然的新窗口。

中微子几乎不与物质相互作用，却能携带来自恒星、黑洞和宇宙深处的一手信息。研究它们，实际上是在探索宇宙中极端天体如何产生能量、粒子和宇宙射线，以及自然界最基本的运行规律，这些是我们目前的实验室条件下根本无法研究的。而这类发现未必立刻改变生活，却可能改变我们认识宇宙的方式。

哈尔岑不仅构想出中微子探测的新思路，更是从AMANDA小规模验证到冰立方大规模建设与运营，使南极冰层成为观测宇宙的“中微子望远镜”。因其在中微子天体物理领域的贡献（尤其是领导冰立方及高能天体物理中微子与源的发现），哈尔岑常被称为“冰立方之父”，他已经获得多项荣誉，包括2026年美国物理学会（APS）杰出研究成就奖章（APS Medal for Exceptional Achievement in Research，该学会最高奖之一），以及美国国家科学院院士等，这次获得2026年诺贝尔物理学奖可谓实至名归。

来源：中国科协之声

责编：叶　扬

美编：陈路漫

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