把5160只“眼睛”埋进南极：哈尔岑追踪“幽灵粒子”，获物理学诺奖

本文来自微信公众号： 智讯智库 ，作者：张帆 每一秒，约650亿个来自太阳的中微子穿过你的小指甲。你感觉不到，它们也几乎不留下痕迹。 科学家要追踪的，还有另一批能量高得多、从遥远宇宙抵达地球的中微子。为了抓住这些宇宙信使，他们把5160个光学传感器埋进南极深处，让一立方公里的冰成为望远镜。[1,2] 10月6日，2026年诺贝尔物理学奖授予美国威斯康星大学麦迪逊分校教授弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），表彰他对冰立方中微子观测站，以及天体来源高能中微子发现的决定性贡献。他是本届物理学奖唯一获奖者。[1] 图片备注：10月6日，2026年诺贝尔物理学奖获奖结果公布画面。来源：诺奖官方直播截图；人物照片署名：Althea Dotzour／威斯康星大学麦迪逊分校。 这项研究回答了一个基础问题：当宇宙中最猛烈的过程被尘埃遮住，当带电粒子被磁场拐弯，人类还能凭什么追查它们的来源？ 哈尔岑和国际团队给出的答案，藏在南极冰层里。但从1988年公开提出设想，到2013年报告关键证据，这条路走了约四分之一个世纪。[2,3] 几乎能穿透一切 反而成为宇宙信使 中微子是一种质量极小、不带电的基本粒子。它很少与普通物质发生作用，因此常被称为“幽灵粒子”。低能中微子穿过人体乃至整个地球时，大多不会被拦住；随着能量升高，它们与物质发生作用的机会增加，地球也会吸收一部分高能中微子。[2,4] 这个特点给观测带来一道两难题：它们能把遥远地方的信息送出来，研究人员却很难让它们在探测器里留下记录。 宇宙中不断有高速粒子飞向地球，统称为宇宙射线，其中不少是质子和原子核。某些天体环境能把这些粒子加速到远超地面实验室的能量。它们究竟在哪里获得如此大的能量，一直是天文学的重要问题。[3] 直接追踪带电粒子很难。它们在宇宙磁场中不断偏转，抵达地球时的方向，未必还指向出发地。高能光子也可能在源头或旅途中被物质和辐射吸收。[3] 中微子不受磁场偏转，又能从许多不透明的环境中逃逸。测出它的能量和来向，就有机会追查产生它的极端过程。对研究人员而言，这相当于多了一份来自宇宙深处、沿途较少被改写的证词。 这一能力拓宽了天文学的信息来源。光的亮度、光谱及变化能揭示天体的许多性质，高能中微子则提供了另一类线索：高能质子和原子核是否在那里与物质或辐射发生了作用。把不同信使的证据放在一起，才能更完整地解释天体内部发生了什么。[3] 第一场挫折 来自冰里的气泡 哈尔岑的设想很大胆：借用南极天然冰层作为探测材料，省去人工建造庞大容器的需要，再把感光设备送进冰中。[2] 当中微子偶尔与冰里的原子核发生作用，会产生带电粒子。当这些粒子的运动速度超过光在冰中的传播速度时，会发出一种被称为“切伦科夫光”的微弱光信号。这里比较的是光在冰中的速度，仍然符合真空光速不可超越的限制。传感器记录光抵达的时间和强度，研究人员据此估计中微子的来向与能量。[3] 需要强调的是，设备捕捉的是中微子碰撞后产生的光，不能直接拍下一颗中微子的照片。 早期试验遇到的麻烦，恰恰发生在传光这一环。 冰立方的前身“南极缪子与中微子探测阵列”，在1993—1994年南极夏季，把第一批传感器送到约800至1000米深的冰里。结果发现，这一深度的冰中有许多气泡，会把光散射到不同方向，使粒子的来向难以辨认。[5] 对于一台依靠光的路径追查宇宙源头的仪器，这种模糊会直接削弱核心能力。自然界提供了巨大的探测材料，却没有保证每一层都适合使用。 团队继续往下寻找。更深处的冰透明得多，后续传感器被布置到约1500米及更深的位置。这些测量既验证了冰中探测的可行性，也为冰立方选定深度提供了依据。[5] 另一个问题随之出现：前身设备能够工作，体积仍不足以有效搜寻稀少的宇宙高能中微子。解决气泡问题之后，研究人员还得把装置做得更大。[2,3] 巨型望远镜 要先赢一场与冰封的赛跑 扩大体积的理由很直接：目标粒子与物质碰撞的机会太小，扩大探测区域，可以增加记录它们的机会。 最终建成的冰立方由86条传感器串组成，合计5160个光学传感器，分布在地表以下约1450至2450米的冰层中，覆盖约一立方公里。按规模理解，它相当于把边长约一公里的巨大冰块变成了仪器。[2,3] 把传感器送到这个深度，是一项严苛的工程任务。 工程团队用高压热水融开冰层，钻出约2500米深的孔，再把传感器串放进去。孔壁会重新冻结，安装必须赶在通道封闭之前完成。孔太小，设备可能卡住；孔钻得过大，又会浪费极地运输成本高昂的燃料。[6] 施工还有季节限制。主要建设工作只能利用短暂的南极夏季，运输、设备准备和轮班作业都必须精确安排。团队用七个建设季完成部署，最后一条传感器串于2010年12月18日安装完成；2011年5月13日，冰立方开始以完整配置采集科学数据。[5,6] 这解释了诺奖为何特别强调哈尔岑对观测站的贡献。一个探测原理要变成发现，途中必须有人把它推进为可以制造、可以运输、可以校准、可以长期运行的系统。 根据诺奖科学背景材料，如今的冰立方国际合作涉及14个国家、58家机构、约450人。奖项授予哈尔岑个人，成果则建立在科学家、工程师和极地作业人员的长期协作之上。[3] 仪器建成了 发现还没有自动到来 冰立方每天收到大量信号，真正来自遥远天体的高能中微子混在其中。 宇宙射线撞上地球大气，也会产生粒子和中微子。这些发生在地球附近的过程，会制造与目标相似的记录。研究人员必须判断：眼前的信号，究竟来自远方的宇宙，还是本地背景？[3,7] 这一步决定了“看见异常”与“作出发现”之间的距离。 2013年，团队报告了在2010年5月至2012年5月数据中找到的28个高能事件。它们的能量、方向和类型分布，难以用已知的大气背景完整解释，构成了天体来源高能中微子的关键证据。[7] 28个事件看起来很少。但科学发现的分量取决于它们能否排除其他解释。大量普通事件即便积累再多，也无法替代少数带有决定性信息的记录。 团队随后继续收集数据、改进分析。2014年公布的结果，把排除纯大气来源解释的统计显著性提高到5.7个标准差，超过粒子物理通常使用的发现门槛。通俗地说，观测结果已经很难归因于背景的偶然起伏。[3] 从冰层气泡到设备规模，再到背景排除，这项突破经历了三种不同的难题：先让信号传得清楚，再让仪器有机会接收到它，最后证明接收到的信号确实来自宇宙。 抓到宇宙信使之后 还得找到寄信人 确定高能中微子来自天体，并不等于已经知道每一颗中微子的具体来源。 2017年9月22日，冰立方记录到一个高能中微子事件，随即向全球其他望远镜发出警报。后续观测把目光集中到一个遥远的活动星系：其中心黑洞周围的物质形成高速喷流，喷流方向朝向地球。[8] 团队回查历史数据，又在同一方向发现了2014年至2015年的一批中微子过量事件。两组证据增强了这个星系作为高能中微子来源的可能性，相关成果于2018年公布。[8] 这里体现出一种重要变化：一台仪器发现异常后，其他仪器立即用不同方式观测同一片天空。中微子记录、伽马射线等高能光信号，以及其他波段观测互相补充，共同追查源头。这种方法称为“多信使天文学”。[3,8] 研究也在向我们的银河系推进。2023年，冰立方团队报告了来自银河系的高能中微子证据。[9] 到2026年7月，团队在公开预印本中给出了基于12年数据的新结果：银河系盘面高能中微子辐射的统计显著性达到5.7个标准差。这项结果也被本届诺奖科学背景材料列入讨论。不过，确认银河系整体发出这些中微子，与锁定其中某一颗恒星或某一个加速源，是两项不同的任务。[3,10] 这正是当前的成果边界：宇宙高能中微子的存在已经得到确认，若干来源线索正在增强；具体由哪些天体贡献了多少信号，内部又通过什么过程加速粒子，仍需要更多观测。 诺奖之后 最难的问题仍在宇宙里 哈尔岑1944年出生于比利时，1969年获得博士学位。今年距离他公开提出南极冰中观测设想，已经过去38年。[1] 这项研究最重要的现实影响，已经发生在科学本身：高能中微子从理论上有价值的宇宙信使，变成了能够持续测量、比较和用于追查天体的观测对象。 人类由此获得了研究极端宇宙的新证据渠道：把不同观测方式得到的线索放在一起，检验粒子究竟在哪里、通过什么机制获得巨大能量。衡量下一步进展的关键，将是能够识别多少个具体来源，以及这些来源能否解释观测到的中微子总量。 接下来的竞争，将集中在更多有效事件、更准确的来向重建，以及不同观测站之间的协同。诺奖科学背景材料列出的下一代设施，包括南极冰立方扩建、地中海和太平洋的水下探测器，以及中国南海的中微子望远镜项目。这些设施处在不同建设阶段，未来能力仍须由实际运行与观测检验。[3] 哈尔岑和团队已经证明，南极深冰里的一次微弱闪光，可以成为研究遥远宇宙的证据。现在更大的挑战，是把这些零星的闪光积累成足够清楚的图景：谁在给宇宙粒子加速，能量如何释放，又有哪些猛烈过程始终躲在光看不透的地方。 参考资料： [1]THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES.Press release:Nobel Prize in Physics 2026[EB/OL].(2026-10-06)[2026-10-06]. [2]THE ROYAL SWEDISH ACADEMY OF SCIENCES.Ice at the South Pole reveals cosmic particle accelerators[EB/OL].(2026-10-06)[2026-10-06]. [3]THE NOBEL COMMITTEE FOR PHYSICS.Scientific background to the Nobel Prize in Physics 2026[R/OL].2026-10-06[2026-10-06]. [4]ICECUBE COLLABORATION.A first look at how the Earth stops high-energy neutrinos in their tracks[EB/OL].(2017-11-22)[2026-10-06]. [5]ICECUBE COLLABORATION.Timeline[EB/OL].[2026-10-06]. [6]BRAVO S.Drilling IceCube:a story of innovation,expertise and strong will[EB/OL].(2014-12-12)[2026-10-06]. [7]ICECUBE COLLABORATION.Search for contained neutrino events at energies above 30 TeV in 2 years of data[EB/OL].(2013-11-21)[2026-10-06]. [8]ICECUBE COLLABORATION.IceCube neutrinos point to long-sought cosmic ray accelerator[EB/OL].(2018-07-12)[2026-10-06]. [9]ICECUBE COLLABORATION.Our galaxy seen through a new lens:neutrinos detected by IceCube[EB/OL].(2023-06-29)[2026-10-06]. [10]ABBASI R,ACKERMANN M,ADAMS J,et al.High-energy neutrino emission from the Milky Way[EB/OL].(2026-07-28)[2026-10-06].