小小中微子凭什么五夺诺奖？

中微子又又又又又一次获得诺贝尔物理学奖！10月6日，2026年诺贝尔物理学奖揭晓，中微子探测天文台“冰立方”的首席科学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）独享这项殊荣。这是继2023年后中微子相关研究又一次斩获诺奖，也是史上第五次。人类发现了那么多种基本粒子，中微子是获得诺奖最多的。还值得一提的是，上一次一人独享物理奖还要追溯到34年前1992年的乔治·夏帕克（Georges Charpak）。

弗朗西斯·哈尔岑独享2026年诺贝尔物理学奖（来源： Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach ）

幽灵粒子

在粒子世界中，中微子是个神奇的存在，被喻为“幽灵粒子”。 早在1930年，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）在解释β衰变能量守恒问题时就提出了中微子假说。因这种未知粒子为电中性的，他以“中子”称呼。到了1932年，中子被发现后，意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）将泡利预言的粒子正名为“中微子”（neutrino），意为“小而中性的粒子” 。直到1956 年，美国物理学家弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reines）和克莱德·考恩（Clyde Cowan）利用核反应堆作为源，首次直接探测到中微子存在的证据。莱因斯因该发现获得1995年诺贝尔物理学奖（与发现τ子的马丁·佩尔分享）。

中子与中微子的比较（来源：水兄AIGC）

中微子是一种基本粒子，不带电，质量极小，穿透性极强，主要通过弱相互作用与物质打交道。太阳内部的核聚变、核反应堆中的过程，以及宇宙中的剧烈活动，都能产生中微子。

（a）太阳核聚变过程产生中微子 （b）太阳核聚变产生的光子需要经过平均数十万年的吸收、散射才能到达表面，而中微子产生后可径直传播出去 （来源：网络）

中微子的最大特点之一就是其穿透性。每一秒钟，太阳通过核聚变产生大约1.8×1038个中微子，它们从太阳核心直接逃逸径直奔向太阳系各个方向。对大多数低能中微子而言，整个地球也近乎透明。每秒有多达数百亿个中微子穿过我们大拇指指甲盖大小的面积，而我们对此毫无感觉。

中微子的三种味：电子中微子、μ子中微子、τ子中微子及其对应的反物质（来源：网络）

中微子还有另一个“玄乎”的特征，它会“变身”。通过观测我们发现中微子有三种身份，分别是电子中微子、μ子中微子和τ子中微子（因为在弱相互作用中分别与电子、μ子和τ子相伴而生）。它们哥仨会按不同方式形成量子叠加组合，这在粒子物理学中被称作三种“味”。 传播过程中，中微子的身份存在一定的概率会发生变化，例如最初以电子味产生的中微子，经过一段距离后，再被探测时就可能表现为μ子味或τ子味，这就是中微子振荡。既然会“变身”，那就意味着中微子具有质量，而在标准模型的框架下，中微子被认为是没有静止质量的粒子。中微子直接动摇了粒子物理学的基石！认识中微子，既是为了读懂宇宙，也是在追问物质最深层的规律。

一立方公里的冰

“悄悄的我走了，正如我悄悄的来；我挥一挥衣袖，不带走一片云彩。”中微子就像一群沉默的旅人，很难留下痕迹。但是，很难留下痕迹，不代表不会留下痕迹。中微子会与电子、质子、中子、原子核发生作用，虽然概率极低，但架不住中微子“旅行团”规模庞大，仍然会有极个别的中微子在穿越物质过程中令上述成分发生变化，产生高速电子、μ子或其他粒子，这些产物被统称为次级粒子。当这些带电的次级粒子在大气、水、冰等介质中的运动速度超过光在其中的运动速度时，就会发出微弱的光，这就是切伦科夫辐射。例如光在水中的速度大约为真空光速的3/4，在冰中的速度略微更慢些。这就好比水中行舟，当小船与水流的相对速度为零，小船顺流而下几乎不产生波纹，当小船速度超过水流速度，就会在水上划出一道道涟漪。只不过，有所不同的是，高能粒子在液体或冰中的切伦科夫辐射是在粒子前进方向上的蓝色光锥。

在平静的湖面行驶的小船（来源：网络）

实验室中真实拍到的切伦科夫辐射（来源：吴视界）

因此，我们并不能直接捕捉中微子本子，但可以察觉到它留下的痕迹。这就要求我们把探测器做得足够大，让中微子穿越的物质越厚越好，所谓“概率不够，数量来凑”。其次，要求参与探测的物质越干净越好，透明度越高，意味着次级粒子发出的微光传得更远，更容易被探测器发现。就像我们安装监控探头，安全死角越少，需要的探头数量越少，空气越干净探头看得越远。

上世纪50年代美国的萨凡纳河反应堆实验（SRS，莱茵斯发现中微子的那个反应堆）使用含镉水靶来探测，60年代的霍姆斯特克实验室（Homestake）使用约615吨四氯乙烯，80年代日本神冈探测器（Kamiokande）使用3000吨水，后来90年代升级到超级神冈，可容纳5万吨水。

1988年，哈尔岑想到厚厚的南极冰盖不就是个天然的中微子探测试验场吗？然而从设想到结果却经历了25个春秋。1992年，一群坚韧不拔的研究人员和工程师首次尝试将光传感器降入南极冰川。刚开始，几百米深的冰芯打上来后发现依然有许多气泡，它们会让光发生散射，简单说的话就是光在里头走不远。（插播一则题外话：我们家里冰箱里制作出来的冰块往往中间呈现白色，就是因为它是从外向内结冰，中间的气泡来不及跑出去。）但是，当深度达到1400多米后，研究人员欣喜地发现，冰一下子变通透了。巨大的压力能将深层冰中的气泡挤出，发生在其中的中微子闪光可以传播300多米，从而具备了适合探测微弱光信号的条件。再加上厚厚的覆冰层，能挡住大量干扰粒子，本地噪音大大降低，尽管做不到完全消除。（再说一则题外话，恰恰也是这项以探测宇宙奥秘为目标的实验促使我们对不同深度的冰有了更深的理解。）

冰块呈现白色就是因为其中含有气泡使得光发生散射（来源：网络）

工程人员用热水钻融出深孔，将串联着的球形探测模块放下去，等水重新冻结，仪器便固定在冰中，像一串串凝固在透明琥珀里的灯笼。到2010年完成的原始阵列，在地下约1450至2450米深处，部署5160个光探测模块，能监测约一立方千米冰体——“冰立方”（IceCube）由此得名。

在南极点释放数字光学探测模块DOM（来源：IceCube）

冰立方中微子天文台示意图（来源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

何方“幽灵”

得益于南极冰盖那片得天独厚的“捕猎场”，“冰立方”建成后不久便探测到了首批高能中微子。这里所说的“高能” 并不是粒子更大，指的是单个粒子携带的能量。同样是中微子，所携能量跨度非常大，这与它们的来源有关系。例如太阳中微子的能量通常在百万电子伏特（MeV，即106电子伏特）量级，大气中微子通常在GeV（109电子伏特）至TeV（1012电子伏特）量级，它们是宇宙线与大气作用的产物。而更高能级的中微子往往也来自更加遥远的空间，产自更为极端的宇宙事件。如银河系高能中微子和河外高能中微子的能量可达TeV（1012电子伏特）至PeV（1015电子伏特）。人类最强粒子加速器能将质子加速至6.5TeV，对撞能量达到13TeV，PeV这种“宇宙级”能量是人类“天花板”的百倍、千倍、甚至万倍以上。而“冰立方”主要探测的就是几百个GeV至PeV级别的高能中微子。它们通常与宇宙天然的“粒子加速器”有关，如黑洞周围的吸积环境和喷流、超新星遗迹等，都可能把质子等粒子加速到很高的能量。这些粒子再与气体或光子碰撞，产生不稳定粒子，后者衰变时便可能释放中微子。中微子因此像一张粒子碰撞留下的收据，证明某处发生过高能过程。

中微子能级跨度示意图（制图：水兄）

• 从2010年5月至2012年5月，“冰立方”获得28个“高能中微子”事件（30 TeV–1.14 PeV），其中2个事件能量超过1PeV，它们的能量和其他特征难以仅用地球大气背景解释，意味着这些高能中微子很有可能来自宇宙深处的天体。这是哈尔岑推动的史诗级工程结出的关键科学果实。不过，“冰立方”的目标不仅仅在于收到“信件”，还要寻找“寄件人”。

• 2012年12月4日，“冰立方”发现了能量一组高能中微子出现时刻与费米空间望远镜（Fermi）目击的伽马射线暴PKS B1424-418高度一致，怀疑来自90多亿光年外的一个耀变体。所谓耀变体，是一种活跃星系核，可以理解为星系中心的超大质量黑洞正在吞噬大量物质，从它的磁极释放一束高能喷流，并且喷流方向恰好大致朝向地球。
  

• 2017年9月22日，“冰立方”捕捉到290TeV高能中微子并发出警报，多台望远镜随后发现，与耀变体TXS 0506+056的位置十分接近，收获了有关“寄件人”的重要证据。
  

• 2022年，研究团队又从历史资料中发现，有79个能级在1-10TeV的中微子，高度疑似来自活动星系M77（NGC 1068）。M77是个明亮的距离最近类星体之一，其中心有一个质量为1500万太阳质量的超大质量黑洞，但长期以来，受限于星系核心被厚厚的气体和尘埃遮蔽，电磁波段探测没有实际收获。如果这种关联得以确认，这将是高能中微子宇宙加速器的最有力证据。
  

• 2023年，“冰立方”确认了来自银河系盘面的高能中微子。人类开始用一种全新的“画笔”描绘银河系。

“冰立方”中微子探测器建筑外观（IceCube / NSF）

哪些天体创造了这些“幽灵粒子”？ 过去的十多年里“冰立方”正在逐渐拨开迷雾。虽然我们仍期待更高的可信度，但“冰立方”的杰出表现告诉我们，这或许只是时间问题。

小粒子大作为

回顾历史上有关中微子的诺贝尔物理学奖，可以说个个振奋人心：

1988年和1995年的两个诺奖表彰的都是发现新粒子，后面三项工作都和天体物理相关。从太阳中微子，到大气中微子，再到宇宙高能中微子，能级上刚好对应了从GeV到TeV，现在则迈入了PeV阶段；从学科发展看，2002年的诺奖表彰开创中微子天文学，2015年表彰中微子天文学本身以及它帮助基础物理取得标志性突破，而今年哈尔岑独享物理诺奖是因为他和他的“冰立方”把中微子天文学推进到研究宇宙高能过程的新阶段。

弗朗西斯·哈尔岑（来源：IceCube）

从这五次诺奖我们可以看出中微子天文学正在蓬勃发展。事实也的确如此。目前国际上运行着多个中微子探测项目，有新建的，还有继续升级的。前文中提到的日本神冈探测器不仅升级为超级神冈，现在还进入掺钆阶段（钆是一种稀土元素，在水中加入一些钆的同位素，能更容易地识别出中微子与质子碰撞后留下的慢中子痕迹）。加拿大萨德伯里中微子观测站（SNO）在原来的基础上升级为SNO+，用780吨有机液体闪烁体替代重水，对低能中微子相互作用进行高灵敏度测量。布在意大利西西里岛东南端地中海3500米深海床以上的欧洲立方千米中微子望远镜（KM3NeT-ARCA）目前拥有51个探测单元，未来期望拓展到230个单元。2023年2月13日，它已经探测到能量达220PeV的高能中微子事件KM3-230213A，创下人类观测记录（当时只部署了21个探测单元）。我国的江门中微子实验（JUNO）首要科学目标是利用反应堆中微子振荡确定中微子质量顺序，也可研究超新星中微子、太阳中微子。

KM3NeT-ARCA探测到的高能中微子事件 KM3-230213A （来源：KM3NeT）

1912年，奥地利物理学家维克托·赫斯（Victor Francis Hess）通过热气球实验在海拔5000米高度首次探测到来自太空的电离辐射，标志着宇宙线的发现。1938年，法国物理学家皮埃尔·奥格（Pierre Auger）证明了超高能宇宙线在地球大气中引发广延空气簇射（EAS）。1987年神冈探测器意外捕获来自16万光年外的超新星SN 1987A的中微子，中微子天文学就此诞生。2015年，激光干涉引力波天文台（LIGO）首次探测到31亿光年外两个黑洞并合产生的时空涟漪，引力波成为了解致密天体的新手段。以上这些媒介与方法都不是传统的电磁波（光），但又和电磁波一样，带来宇宙的信息，这就是多信使天文学。

超新星SN 1987A（来源：NASA/ESA）

正如前面我们提到的，中微子作为基本粒子，宇宙中许多天体及其物理过程都会产生性质不同的中微子，它们无处不在，尤其是高能中微子，这位“寄件人”来自宇宙中最极端的环境，携带着最原始、最神秘的信息。宇宙中，光会被尘埃遮蔽，带电粒子会受磁场影响“走弯路”，星系尺度产生的引力波频率又太低，而高能中微子能量高速度快又近乎直线传播，找到中微子，我们就有可能从它那儿听到更多关于宇宙的奇妙故事。

来自宇宙的“信使”（来源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

未来，还将涌现出更多高能中微子天文台。日本计划新开洞室，兴建超巨型神冈探测器（Hyper-Kamiokande）；“冰立方”升级为IceCube-Gen2，计划把光学探测体积扩大到约八立方千米；中国将在南海东北部深约2800—3500米深部署约千根探测串列、约2万个新型混合光电探测球舱，监测约10立方公里海水，取名为“海铃”计划（TRIDENT），它将比“冰立方”拥有更高探测精度、更宽探测能窗、更强中微子味分辨能力，还能借助地球自转探测更宽天区。中国还计划在世界上最深的湖贝加尔湖中布设总规模达30立方公里的高能水下中微子望远镜（HUNT），目标是精确捕捉银河系内宇宙线加速源产生的高能中微子。

海铃计划示意图 （来源：上海交通大学李政道研究所）

在上海交通大学船模拖曳水池模拟海铃大阵列（来源：上海交通大学李政道研究所）

中微子天文学，未来可期！

参考资料

[1] Scientific Background to the Nobel Prize in Physics 2026 (https://www.nobelprize.org/uploads/2026/10/advanced-physicsprize2026.pdf)

[2] All Nobel Prizes in Physics (https://www.nobelprize.org/prizes/lists/all-nobel-prizes-in-physics/)

[4] https://www.km3net.org/km3-230213a/the-event/

[5]

[6]

[7]

[8] https://trident.sjtu.edu.cn/en