2026年诺贝尔物理学奖授予埋在南极冰下2公里的望远镜冰立方

宇宙中最强大的粒子加速器并不在地球上，而且几十年来没人能说出它们在哪里。弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）在南极冰盖下一立方公里的冰层中寻找它们，那里布设了数千个光传感器，用于捕捉物理学中最难以捉摸的粒子。瑞典皇家科学院现已将诺贝尔物理学奖授予他，以表彰他建造了那个探测器及其发现，而且他无需与他人分享。

这个探测器名为“冰立方”（IceCube），它捕捉到了首批已知来自太阳系以外的高能中微子。中微子不带电荷，几乎没有质量，每秒大约有650亿个来自太阳的中微子穿过你的小指甲，却不触碰任何一个原子。由于它们沿直线飞行，并能穿透尘埃、气体和磁场，那些罕见的宇宙中微子会指向它们诞生的剧烈场所。这使得它们成为一种新型望远镜，能够窥视光线无法离开的区域。

哈尔岑是比利时出生的物理学家，任职于威斯康星大学麦迪逊分校，获奖理由是“对冰立方中微子天文台以及天体物理起源的高能中微子的发现做出了决定性贡献”。他是34年来首位独享物理学奖的人，并独得全部1200万瑞典克朗奖金。诺贝尔物理学奖评选委员会主席马克·皮尔斯（Mark Pearce）表示：“弗朗西斯·哈尔岑领导了一个由研究人员和工程师组成的国际团队，为我们提供了一台非凡的仪器。他的坚韧和科学视野为一种新型天文学铺平了道路。”

为什么需要冰川来寻找宇宙加速器

太空中遍布宇宙射线，主要是裸露的质子，其中一些到达地球时的能量比地球上任何实验室能达到的能量高出百万倍。某种东西在太空中加速它们，可能是爆炸的恒星或超大质量黑洞的喷流。质子无法揭示罪魁祸首，因为磁场在它们飞向地球的途中弯曲了它们的路径，因此当它们撞击我们的大气层时，它们的方向已毫无意义。

加速质子的相同过程也应该产生中微子，而磁场不会偏转它们。问题在于中微子几乎不与任何东西相互作用。在极少数情况下，当中微子击中一个原子核时，会产生一个带电粒子，该粒子在物质中高速穿行并发出微弱的蓝光。在透明介质中，传感器可以记录下这种闪光，并重建中微子的来源。宇宙中微子极其稀少，因此你需要一个巨大的透明体积才能捕捉到哪怕一小部分。

哈尔岑的想法是，南极冰盖本身就已经是那个体积。在深处，它永久黑暗，没有会干扰海洋探测器的生物，放射性低，地质稳定，没有地震。

他们是如何做到的

这个计划听起来不可行。团队必须用热水钻融化超过一公里深的孔，这种钻头像一个精巧的淋浴喷头，然后将串有光传感器的电缆放入水中，在水重新冻结之前完成。哈尔岑将每个传感器描述为一个反向灯泡：它接收光并将其转化为电信号。所有建设工作都必须在南极短暂的夏季（11月至2月）之间完成。

第一次尝试是一个名为AMANDA的小型阵列，几乎让这个想法夭折。在第一批传感器放置的深度，冰中充满了微小气泡，将光向各个方向散射，因此闪光在半米内就失去了方向。更深的地方情况完全改变。在约1400米以下，冰变得异常清澈，来自中微子碰撞的光可以传播300米，远超任何人的预期。

冰立方将这一经验放大。它的86根缆绳悬挂在地表以下1450米至2450米之间，彼此相距125米，每根缆绳上装有60个传感器，间距17米，总共5160个传感器。这立方公里的仪器化冰重约10亿吨。该天文台由美国国家科学基金会管理，并由来自14个国家58个机构的约450人组成的合作团队运行。

证明一切的闪光

冰立方看到的大部分是噪声。每天有超过1亿个由南极上空宇宙射线产生的μ子到达传感器，还有几百个在地球另一侧大气层中产生的中微子穿过整个地球后抵达。为了隔离宇宙信号，团队将探测器的外层作为屏蔽层，只保留那些在核心内部、远离边缘处触发的中微子。

前两个令人信服的事件是在搜索更高能粒子的过程中偶然出现的。每个事件沉积了大约1拍电子伏特（1000万亿电子伏特），比大型强子对撞机赋予每个质子的能量高出百倍以上。这两个事件引导团队在同一批两年的数据中找到了28个高能中微子，随后更大的样本以5.7西格玛的统计置信度排除了大气起源，超过了物理学家用来宣称发现的5西格玛标准。

与早期中微子天文学相比，这一飞跃是巨大的。此前因中微子研究获得物理学奖的雷蒙德·戴维斯 Jr（Raymond Davis Jr）和小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）所探测到的中微子来自太阳和一颗16万光年外的超新星，能量低了约十亿倍。冰立方迄今探测到的能量最高的中微子估计为11.4拍电子伏特。

奖项未解决的问题

冰立方证明了存在稳定的宇宙中微子流，但它尚未显示大多数中微子来自何处。最佳候选者仍然只是候选者。有一个中微子来自一个名为TXS 0506+056的耀变体方向，这是一个黑洞喷流指向地球的星系，对旧数据的搜索发现同一位置曾有一次更早的爆发，置信度为3.5西格玛，远未达到发现标准。

迄今为止最强的单一来源是活跃星系NGC 1068，也称为M77，位于鲸鱼座，距离4600万光年。冰立方从其方向计数了79个中微子，置信度为4.2西格玛。诺贝尔委员会自己的背景文本指出，这一证据尚不足以将NGC 1068认定为确认的来源。

还有功劳归属的问题。冰立方是数百名科学家和工程师的成果，而物理学奖只能授予个人。委员会单独表彰了哈尔岑，认为他是提出概念、设计并作为首席研究员领导建造和运行的人。

关于2026年诺贝尔物理学奖的常见问题

谁获得了2026年诺贝尔物理学奖？

威斯康星大学麦迪逊分校的弗朗西斯·哈尔岑独享该奖，以表彰他在建造冰立方中微子天文台以及发现来自太空的高能中微子方面的决定性作用。他出生于比利时蒂嫩，并获得全额1200万瑞典克朗奖金。

什么是中微子？

中微子是一种不带电荷、几乎没有质量的亚原子粒子。它与物质的相互作用极弱，因此每秒有数十亿个中微子穿过你的身体而不被察觉。

冰立方如何探测中微子？

当中微子击中冰中的原子核时，会产生一个带电粒子，该粒子在行进过程中发出微弱的蓝光。埋藏在1450米至2450米深处的5000多个传感器记录下闪光，光的模式揭示了粒子的能量和方向。

为什么要在南极建造中微子望远镜？

南极深处的冰极其清澈、永久黑暗、没有生物、地质稳定。现有的阿蒙森-斯科特南极站还提供了钻孔和建造一公里宽探测器所需的后勤、电力和人员。

宇宙中微子来自哪里？

目前尚无人确切知晓。冰立方已探测到来自我们银河系盘面的中微子，并指出活跃星系NGC 1068和耀变体TXS 0506+056是可能的来源，但其中任何一个都不占通量的大部分。

何时发生，以及下一步

哈尔岑和他的同事约翰·G·勒尼德（John G. Learned）于1988年在波兰的一次会议上首次提出了南极概念。哈尔岑记得1993年圣诞夜，他膝上放着电脑，等待第一条AMANDA缆绳放入冰中的消息。美国国家科学基金会于2002年批准了冰立方的资金，探测器于2011年建成，首批宇宙中微子证据于2013年发表。来自银河系的高能中微子随后于2023年被发现。

后继者已在成形：地中海的KM3NeT、贝加尔湖的Baikal-GVD、温哥华岛附近的P-ONE以及南海的TRIDENT。在南极，冰立方-Gen2的规划已经开始，它将覆盖约八立方公里的冰。哈尔岑将于12月10日在斯德哥尔摩领取他的奖章。

参考文献：IceCube Collaboration, “Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector,” Science, 2013. DOI: 10.1126/science.1242856

标签: 天文学, 诺贝尔奖, IceCube, Francis Halzen, 中微子, 南极