弗朗西斯·哈尔森凭中子星观测获2026诺贝尔物理学奖

威斯康星大学麦迪逊分校物理学家弗朗西斯·哈尔森因"对冰立方中子观测站的决定性贡献以及发现天体物理起源的高能中子"获得2026年诺贝尔物理学奖。哈尔森主导了南极冰立方中子观测站的开发和建造工作，使物理学家能够捕获来自遥远宇宙的高能中子。

"这确实是个很大的惊喜，我显然没有预料到，"哈尔森在斯德哥尔摩的新闻发布会上通过电话从意大利表示。尽管诺贝尔奖授予了哈尔森本人，但他强调自己的工作成果源于与其他研究人员的"大规模合作"。

"这反映了那些真正勇敢的人，他们在当时没有任何体面保守的物理学家愿意加入这个项目的情况下，仍然选择加入我。但许多有才华的人确实加入了，这就是我今天站在这里的原因，"他说。

中子与物质的低互动率使其极难被探测，但正因为它们质量极轻，几乎能毫无阻碍地（因此基本保持不变地）穿越与其他物质粒子的碰撞。这意味着它们能为天文学家提供关于遥远星系系统的宝贵线索，再结合电磁波谱各波段望远镜以及引力波所获得的信息，共同构成了所谓的"多信使"天文学。

中子最早由沃尔夫冈·泡利在1930年写给同事的一封信中提出。他当时正试图解释原子核放射性β衰变实验中令人困惑的结果——能量似乎有所缺失，而他（正确地）认为这是不可能的。他认为可能存在一种不带电荷、不具质量的新型亚原子粒子带走了缺失的能量；后来恩里科·费米将其命名为中子（neutrino）。

克莱德·考恩和弗雷德里克·莱因斯于1956年首次观测到这种"幽灵粒子"，这得益于二战后大量兴建的核电站中的核聚变反应。十年后，物理学家首次探测到太阳中子。这为雷·戴维斯和小柴昌俊赢得了2002年诺贝尔奖，该奖项同时授予了里卡多·贾科尼（因"对天体物理学的开创性贡献，促成了宇宙X射线源的发现"）。

唯一的问题是，实际探测到的太阳中子数量远低于理论预测，这一难题被称为"太阳中子问题"。1962年，物理学家发现了第二种中子"味"——μ子中子。随后在2000年发现了第三种味——τ子中子。

当时物理学家已怀疑中子可能能够从一种味转变为另一种味，这很大程度上归功于日本超级神冈实验（Super-K）1998年的观测结果。2002年，萨德伯里中子观测站（SNO）的科学家宣布他们解决了太阳中子问题。缺失的太阳（电子）中子只是"改头换面"了——在从太阳到地球的漫长旅程中转变成了不同的味。SNO的阿瑟·麦克唐纳和Super-K的梶田隆章因各自的突破性发现分享了2015年诺贝尔物理学奖。

一个巧妙的想法

出生于比利时的哈尔森在获得博士学位后不久便加入了威斯康星大学麦迪逊分校，并很快对中子产生了浓厚兴趣。大多数中子探测实验都将设备埋入地下深处，以抵消其他来源的噪声干扰。上世纪80年代，几位物理学家提出水是探测来自太空中子的良好介质，而俄罗斯物理学家则建议使用无线电接收器在南极捕获中子信号。哈尔森将这两种想法结合起来，推断冰是更好的介质。他于1988年提议在南极建造中子观测站，因为那里已经建有研究站。

"哈尔森有一个大胆的想法，即可以将南极天然存在的巨量冰块转变为探测中子的望远镜，"美国物理学会首席执行官迈克尔·莫洛尼表示。"随后他领导了一项长达数十年的努力，将这个想法转变为冰立方项目，该项目如今为我们提供了一个观察宇宙及其一些最遥远、最具能量现象的非凡窗口。这个奖项凸显了物理学中反复出现的一个伟大故事：当我们找到一种全新的方式观察自然时，往往会发现我们之前根本不知如何提出的全新问题。"

将仪器深埋入冰层并非易事。在与冰川学家商议后，哈尔森和他的团队选择使用热水"钻头"融化冰层，打出千米深的孔洞，然后将挂有一串串光传感器的长缆线放入孔中。

该站点的第一个中子观测站名为AMANDA。最初的结果令人失望，因为冰层上部含有大量气泡，导致光线散射，模糊了与中子轨迹相关的信息。但1400米以下的冰层却非常纯净。然而，AMANDA覆盖的体积不足以可靠地探测中子，因此冰立方最终取代了它。

"我们的态度是'让我们研究冰层，设计一个热水钻，看看它是否有效'，"哈尔森去年在获得美国物理学会杰出研究成就奖章时告诉美国物理学会。"冰必须清澈，我们在麦迪逊开发的钻探方法必须有效，而且我们必须能够排除背景干扰。我们从小规模开始，令我们自己都惊讶的是，我们克服了所有这些障碍。突然间，我们拥有了建造一个立方千米探测器的工具。在AMANDA/冰立方近40年的探索历程中，从没有人告诉我们这不值得研究。这真正是一个技术问题。"

冰立方由埋藏在南极冰层深处的数百个篮球大小的光学传感器阵列组成：整整一立方千米的冰层中，分布着86条缆线上的5160个光传感器。在罕见的情况下，经过的中子与冰中原子核发生相互作用，碰撞会产生带电粒子，这些粒子会发射紫外线和蓝色光子。传感器随后捕获这些光子。

在某些情况下，当某物撞击冰中的一个原子时，冰立方会观测到粒子和光子的喷射。在另一些情况下，粒子只是轻微触碰原子，释放出少量光子。不过，并没有专门指向冰立方的中子源。相反，它依赖于天然的中子源。其中一些产生于遥远的太空，经过长途旅行到达地球；另一些则是宇宙射线撞击大气层时产生的。

然而，如果冰立方仅依赖于探测器内与物质发生相互作用的中子，那么需要数年时间才能积累足够的碰撞数据以进行测试。因此，冰立方团队转而利用整个地球。冰立方可以通过侧面入射探测粒子穿过探测器时所走的路径。这些粒子正是那些在南极点本身以切线方式穿过地球、因而与极少物质发生相互作用的中子。

冰立方于2011年正式运行，表现超出预期。"我们所承担的最大风险是，没有人知道这个立方千米探测器是否真的足够大，能够探测到来自大气层之外、来自宇宙的中子，这是我们最大的风险所在。但仅仅两年后我们就探测到了，"哈尔森在诺贝尔新闻发布会上说道。"我们发现了来自其他星系超大质量黑洞的中子证据，它们发出的信号如此强烈，当你观察中子天空时，甚至看不到银河系。"

宇宙信号

2014年，冰立方发现了三个具有空前高能量的中子，被昵称为伯特、厄尼和大鸟。2017年，物理学家将一个高能中子追溯到一个特定来源——一个名为TXS 0506+056的遥远星系，常被称为"德克萨斯事件"。同年，冰立方科学家还验证了标准模型的一个预测：中子在更高能量下更有可能与物质发生相互作用。正如预测所示，经过地球的中子数量相比切线方向入射的中子有所减少，且随着能量的增加，这一频率进一步降低。

2022年，冰立方科学家对高能宇宙中子前往地球途中所经过的路径进行了回溯分析。在梳理了十年的数据后，他们发现了证据——以79个中子的显著过量形式呈现——表明一个名为梅西耶77（又称"鱿鱼星系"）的活动星系极有可能是一个强烈的高能中子发射源。这一结果使天体物理学家向解开高能宇宙射线起源之谜又迈进了一步。

"宇宙射线无论诞生于何处，都会产生中子，但当时我们完全不知道它们产生于何处、如何产生，"哈尔森说。"现在，通过观测中子，我们开始看到最初的宇宙加速器，这真的很令人兴奋。"

冰立方的新发现之旅远未结束。"我们探测到了能量巨大的中子，但我们所做的所有物理研究似乎都与我们熟知且喜爱的标准模型中子物理学相一致，而我们希望打破这一局面，"哈尔森说。

该项目于今年二月完成了一次重大升级，在现有阵列底部中心增加了五条新的光传感器缆线，并新增了600个光传感器和校准仪器。上个月，美国国家科学基金会承诺在未来五年内投入5300万美元以维持该项目的运营。

至于哈尔森未来的研究计划，"我正在撰写一份提案，希望这个奖项能帮助它获得批准，"他在新闻发布会上开玩笑地说道。

Q&A

Q1：冰立方中子观测站是什么？

A：冰立方是位于南极的中子观测站，由埋藏在一立方千米冰层中的5160个光传感器阵列组成，用于探测来自宇宙的高能中子。

Q2：弗朗西斯·哈尔森为什么获得2026年诺贝尔物理学奖？

A：哈尔森因对冰立方中子观测站的决定性贡献以及发现天体物理起源的高能中子，获得2026年诺贝尔物理学奖。他主导了该观测站的开发和建造工作。

Q3：冰立方观测站有哪些重要科学发现？

A：冰立方发现了来自超大质量黑洞的中子、追溯到特定星系来源的高能中子，并在2022年发现证据表明梅西耶77星系是高能中子发射源的强候选者。