探寻南极冰层中的“幽灵粒子”：为何哈尔岑荣膺诺贝尔物理奖

• 2026-10-07

10月6日，瑞典皇家科学院宣布将2026年的诺贝尔物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑，以表彰他在冰立方中微子天文台方面所做的重大贡献，以及他对高能中微子的天体物理源的发现。哈尔岑的研究为一种全新的天文学形态奠定了基础，他首创了利用南极冰川捕捉名为中微子的难以捉摸的粒子，并成立了冰立方中微子天文台，旨在跟踪来自遥远宇宙的中微子。中微子为何如此重要呢？它是宇宙中最难以探测的粒子之一，不带电荷，且质量几乎可以忽略不计。通常情况下，中微子穿透物质时几乎不会留有任何信号，与原子核的碰撞极为少见。每秒内，约有650亿个来自太阳的中微子穿过人类的小拇指指甲，而人体对此则完全无感。由于其与物质几乎不发生相互作用，能够轻松穿透各种物体，因此中微子被称为“幽灵粒子”。科学家们对中微子的探索源于对“宇宙之谜”的破解。宇宙中不断穿行着一种被称为“宇宙射线”的粒子，这些粒子通常由质子构成，即去掉电子的氢原子核。有些来自太空的高能质子在抵达地球时，能量之高远超地球实验室所能产生的极限。这些极高能量的宇宙射线到底源自何处，一直是宇宙学最大的难题之一。然而，物理学提供了线索：可以将质子加速到高能的过程，同样会生成高能中微子。因此，中微子成为了解开“宇宙粒子加速器”之谜的关键。宇宙里有三类“信使”能够将信息传递到地球：宇宙射线、伽马辐射和中微子。前两者存在致命的缺陷，带电粒子在穿越宇宙时会受到磁场的影响，导致其方向发生偏转，追踪其来源变得极为困难；而伽马射线在传播过程中，容易被星际尘埃和物质吸收而遭到阻挡。与这些不同的是，中微子则“既可以指路，又能穿墙”，它们的最大优势在于不带电荷，几乎不受宇宙中磁场和尘埃的干扰。它们能够从遥远的宇宙穿越而来，毫无能量损失与方向变化。因此，科学家们可以借助中微子的方向来追踪产生它们的高能天体。宇宙射线（带电粒子呈橙色）会被磁场偏转；伽马辐射（电磁波呈绿色）途中容易被尘埃遮挡；而中微子（蓝色粒子）则可以不受影响直线传播，让科学家得以追溯其来源。更值得注意的是，高能中微子与低能中微子是可以区分的，后者通常来源于放射性物质衰变、太阳，或是宇宙射线撞击地球大气层时生成。因此，这些高能中微子显然不是来自我们周围的环境，它们极有可能发源于遥远的存在，比如恒星爆炸的激烈区域或遥远的活动星系。哈尔岑在比利时长大，20世纪60年代的粒子物理领域进展引起了他的兴趣，最初他研究的是由夸克构成的重粒子。博士学位取得后，他前往美国威斯康星大学麦迪逊分校任教，逐渐意识到粒子物理与天体物理的有机结合。实际上，早在20世纪60年代，中微子天文学就已经开启了小规模的探索。小雷蒙德·戴维斯首次观察到了来自太阳的中微子，随后日本神冈天文台团队对此进行了确认并追溯了粒子的来源。1987年，该天文台探测到了源自大麦哲伦云超新星爆炸的中微子，因此戴维斯和小柴昌俊获得了2002年的诺贝尔物理奖。这一发现验证了中微子能够用于宇宙观测的可能性。但当时科学界面临一个问题：太阳中微子的缺失现象，物理学家意识到中微子是可以“变身”的：一种中微子在生成后，抵达地球时可能已经变成了另一种。这一特性通过日本和加拿大的实验得到了解释，2015年的诺贝尔物理奖也因此授予了梶田隆章和阿瑟·B·麦克唐纳。早在1960年前后，有物理学家提出，水作为捕捉来自宇宙中微子的材料是理想的，因为水的透明度使得中微子碰撞后产生的带电粒子所释放出的蓝光可以被有效捕捉，从而追踪其源头。20世纪80年代，哈尔岑意识到南极冰层是捕获大量“神秘粒子”的理想之地，他设想在冰川中安装光学传感器以记录中微子碰撞时产生的闪光，而这一方案的前提是需要较大体积的材料，哈尔岑因此选择了自然形成的冰。1988年，他和同事约翰·G·勒尼德提出了在南极冰层建设中微子天文台的初步构想。南极冰层的体量足以支撑这一项目，其地质环境稳定，且深层区域无光污染与生物干扰，这使得其成为理想的建设地点。唯一的限制在于施工只能在南极的夏季进行。冰立方中微子天文台由一立方公里的冰体构成，内部装置有光学传感器，已经放置在1450米至2450米深处。哈尔岑形容这些传感器为“倒置的灯泡”，它们并不发光，而是捕捉光并将其转换为电信号。在1992年，科研团队首次将光传感器放置于南极冰川，但初期遇到许多困难，冰的表层充满气泡，导致光的散射，使得粒子运动轨迹模糊不清。然而，深入到1400米以下，冰的纯净透明度显著改善，情况也逐渐好转。