刚刚揭晓！诺贝尔物理学奖得主哈尔岑，将南极冰层变身宇宙观测巨擘

在探索宇宙奥秘的征程中，科学家们常常将望远镜安置在高耸入云的山巅，或是将其送入浩瀚无垠的太空。然而，物理学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）却独辟蹊径，他选择了一个截然不同的方向——将数千个精密的光传感器深埋于南极的冰层之下，让一立方公里的冰层摇身一变，成为观测宇宙的超级仪器。

就在不久前，瑞典皇家科学院郑重宣布，将2026年诺贝尔物理学奖授予哈尔岑，以表彰他在冰立方中微子天文台（IceCube）建设中的决定性贡献，以及他对天体物理来源高能中微子的重大发现。这一殊荣，让哈尔岑独享了1200万瑞典克朗的奖金。

哈尔岑，这位1944年出生于比利时的杰出物理学家，目前执教于美国威斯康星大学麦迪逊分校。自1988年他公开提出南极冰层观测方案以来，便带领着一个国际团队，历经艰辛，最终建成了IceCube这一壮举。他的努力，为科学家们开辟了一种全新的观察宇宙极端环境的方式。

宇宙粒子的起源之谜，中微子或能揭晓

哈尔岑所致力于解答的问题，源自那些不断抵达地球的宇宙射线。

这些宇宙射线中蕴藏着大量的质子，它们的能量之巨，远超地球上任何粒子加速器所能达到的水平。那么，究竟是哪些天体，通过何种过程，将这些粒子加速到如此惊人的能量呢？这一谜题，长期以来一直困扰着天体物理学界。

追踪这些质子的来源并非易事。由于质子带有电荷，它们在穿越宇宙时会受到磁场的强烈影响，运动方向不断发生偏转。因此，即使科学家们能够测出它们抵达地球时的方向，也很难沿着这条路径找到它们的出发地。

而中微子，则提供了另一条破解谜题的线索。那些能够产生高能宇宙射线的极端环境，同样也有可能产生高能中微子。中微子不带电荷，几乎不受磁场的影响，且极少与沿途的物质发生相互作用。因此，它们能够携带来自遥远源头的信息，穿越茫茫宇宙，抵达地球。

在那些普通望远镜难以窥视的尘埃深处，或是其他辐射难以穿透的遥远区域，中微子都可能留下可供科学家们研究的宝贵线索。

然而，捕捉中微子也并非易事。由于中微子与物质发生相互作用的概率极低，它们可以轻松地穿过人体，甚至穿过整个地球，而几乎不留下任何痕迹。据估算，每秒都有约650亿个来自太阳的中微子穿过你的小指指甲，而你却对此毫无察觉。

因此，科学家们需要构建一个足够庞大的探测介质，以等待那极少发生的相互作用。对于更加稀有的宇宙高能中微子来说，探测器的规模则显得尤为重要。

南极冰层：天然的巨型望远镜

早在上世纪60年代，就有物理学家提出了利用大体积的水来寻找宇宙中微子的设想。当中微子与物质发生相互作用时，会产生带电粒子；这些粒子在水中运动时，会发出微弱的蓝光。通过记录这些光信号，科学家们就有机会推断出中微子的能量及其来向。

哈尔岑敏锐地意识到，南极那天然存在的厚重冰层同样能够承担起这一重任。

南极的冰层足够深，且长期处于黑暗之中，没有海洋生物产生的光信号干扰，放射性背景也较低，环境相对稳定。此外，南极点已有科考站的存在，为运输和科研人员的工作提供了便利条件。

1988年，哈尔岑与研究中微子的同行约翰·G·勒恩德（John G. Learned）共同公开介绍了这一构想。随后，多家机构的研究人员和工程师纷纷加入，开始将这一理论转化为实际装置。

施工团队使用热水钻在冰层中融出深孔，再将串联着光传感器的长缆放入其中。哈尔岑曾形象地将这些传感器比喻为「反过来的灯泡」，因为它们能够接收光信号，并将其转换成电信号。

然而，最初的尝试并不尽如人意。浅层冰中的大量气泡会导致光四处散射，从而模糊粒子的运动信息。研究人员后来发现，超过1400米深的冰层要纯净得多，光在被吸收前能够传播约300米，比预期更远。

找到合适的冰层只是解决了部分问题。IceCube的前身AMANDA虽然验证了方案的可行性，但要捕捉来自宇宙的稀有高能中微子，仍需要更大的观测体积。

经过多年的努力，2010年底，IceCube终于完成建设。5160个光传感器分布在86条缆线上，被埋藏于地表下约1450至2450米的冰层中，覆盖了整整一立方公里的体积。

从公开提出设想到装置建成，哈尔岑与国际团队花了二十多年的时间，才让南极冰层成为了一座能够持续观测的中微子望远镜。

从海量信号中寻找宇宙来客

仪器建成后，研究人员面临的挑战是如何判断记录下来的信号究竟来自何处。

每天，IceCube都会记录超过一亿个由南极上空大气中的宇宙射线过程产生、随后穿入冰层的粒子。此外，宇宙射线与大气相互作用还会产生中微子，其中每天有数百个从北半球穿过地球，抵达IceCube。

这些大量信号中，大部分属于地球附近的背景噪声，而研究人员真正寻找的宇宙高能中微子则混杂其中。

为了筛选出有价值的事件，团队需要结合能量、方向和相互作用位置等信息进行综合分析，并判断整组数据是否明显超出了大气背景能够解释的范围。因为单个事件往往不足以确认来源，所以发现必须建立在坚实的统计证据之上。

2013年，IceCube团队报告了首次支持宇宙高能中微子存在的有力证据。随后数年，随着数据的不断积累，研究人员进一步确认了这一发现。人类终于能够利用这些粒子，系统地研究遥远宇宙中的高能过程。

中微子此前已经帮助科学家们研究了太阳和超新星，相关成果曾荣获2002年诺贝尔物理学奖；而中微子能够改变类型的发现，则获得了2015年诺贝尔物理学奖。哈尔岑所推动的工作，将观测延伸到了更高能量的宇宙中微子领域。

当然，发现宇宙高能中微子只是寻找宇宙粒子加速器的第一步。接下来，科学家们还需要将这些中微子与具体天体联系起来。

IceCube已经找到了一些潜在来源，其中包括活跃星系NGC 1068（也称M77）。近年来，研究人员还观测到了来自银河系的高能中微子信号。

为了进一步拓展观测范围，更多观测设施正在紧锣密鼓地建设中。贝加尔湖、地中海、南海和加拿大西海岸附近，都有处于不同发展阶段的水下中微子探测项目。南极也在规划IceCube-Gen2项目，计划将观测规模扩大至约八立方公里。

哈尔岑的杰出贡献，让人类多了一种获取宇宙信息的方式。过去，那些穿过地球却几乎不留痕迹的粒子难以被察觉；如今，它们在南极冰层中留下的微弱闪光，正在帮助科学家们追问宇宙中最强大的天然加速器究竟藏身何处。

附上参考资料：

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2026/press-release/?utm_source=X\&utm_medium=Social+\&utm_campaign=X_physics_2026

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2026/popular-information/?utm_source=X\&utm_medium=Social+\&utm_campaign=X_physics_2026

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