2026年诺贝尔物理学奖授予比利时裔美国粒子物理学家弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen),以表彰他对冰立方中微子天文台的决定性贡献,以及发现具有天体物理起源的高能中微子——他真正把南极深处约1立方公里的万年寒冰,改造成了人类历史上最大的"中微子望远镜"。
得主是谁
哈尔岑1944年出生于比利时蒂嫩,1969年获鲁汶大学博士学位,现为美国威斯康星大学麦迪逊分校杰出教授、冰立方项目首席科学家。他原本是理论物理学家出身,却提出了一个曾被许多同行认为"不切实际"的宏大构想——用南极冰做粒子探测器。他本人后来坦承:"如果我拥有充足的实验经验,我绝不会提出这个实验方案。"他将独得1200万瑞典克朗(约合806万元人民币)的奖金。
为什么要用南极冰
核心难题在于中微子本身的"性格"。 中微子被称作宇宙中的"幽灵粒子"——质量极小、不带电、几乎不与普通物质发生相互作用,每秒约有650亿个来自太阳的中微子穿过你的指甲盖而不留任何痕迹。也正因如此,它能直穿行星、恒星和星际介质,不受磁场偏转,把黑洞喷流、活动星系核内部的"原始信息"原封不动地带到地球,这是光无法做到的。
代价则是:要捕捉如此"害羞"的访客,必须使用巨大且透明的靶体,等待极稀有的碰撞事件。南极冰恰好满足这一条件——冰立方团队原本担心普通冰中的气泡会散射光子、破坏方向重建,但大自然给了惊喜:南极极点深处上万年冰层在巨大压力下变得极其致密纯净,气泡被完全挤压消失,成为天然的探测介质。
冰立方如何工作
这座"冰中望远镜"的原理并不玄乎,却工程浩大:
• 位置与规模:坐落于南极阿蒙森-斯科特南极站,探测器埋在冰面下1450米至2450米深处,监测约1立方公里的冰体。
• 结构:86根长缆上共布设5160个篮球大小的数字光学模块。
• 工作流程:极少数高能中微子撞上冰中原子核,产生缪子等带电次级粒子;这些粒子在冰中高速穿行,速度超过"冰中光速",会发出淡蓝色的切伦科夫光;传感器像"反向灯泡"一样把光变成电信号,根据光量可估算粒子能量,根据光到达不同传感器的时间差,可反推中微子的来向。
• 施工方式:研究人员向冰川学家学习,用高压热水在冰层中融出深孔,再把串着光传感器的长缆缓缓放入。
项目从2005年动工,历经6年极地施工,2010年全面建成投入运行,2011年达到完整规模。
关键科学突破
• 2013年:首次探测到两个能量极高的中微子事件,获得来自太阳系外高能中微子的首批证据,被《物理世界》评为当年重大突破。
• 2017年:捕获一个超高能中微子,回溯定位到遥远耀变体TXS 0506+056(一个由超大质量黑洞驱动的活动星系),人类第一次锁定高能宇宙中微子的源头,为1912年以来悬而未决的宇宙射线起源之谜给出关键答案。
• 后续成果:绘制了人类首张中微子视角的银河系图像;对假想的"惰性中微子"开展严苛检验,为粒子物理标准模型提供观测约束。
意义:从"看光"到"听粒子"
过去天文学依赖电磁波——星光、X射线、伽马射线,但宇宙中许多最剧烈的天体活动(黑洞吞噬、星系爆发)产生的光会被尘埃和气体完全遮挡。中微子天文学让人类可以借助"粒子信使"直接窥见黑洞、星系喷流内部无法通过电磁波观测的极端物理环境,开创了多信使天文学的全新篇章。
诺贝尔物理学委员会主席马克·皮尔斯评价说,哈尔岑带领国际科研和工程团队设计并建造了这一重要观测设施,"他的坚韧和科学远见为一种新的天文学铺平了道路"。目前,规模更大的下一代装置IceCube-Gen2已在规划之中,而由上海交通大学牵头的"海铃计划"也计划在南海建起地球首个临近赤道的中微子望远镜,与冰立方开展联合观测。