2026 诺贝尔物理学奖揭晓，他用南极冰层观测宇宙

想看清遥远的宇宙，科学家通常会把望远镜架在高山上，或者送入太空。物理学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）却选择了另一个方向，把数千个光传感器埋进南极深处，让一立方公里的冰层成为观测宇宙的仪器。

就在刚刚，瑞典皇家科学院宣布，将 2026 年诺贝尔物理学奖授予哈尔岑，表彰他对冰立方中微子天文台（IceCube）的决定性贡献以及对天体物理来源高能中微子的发现。他将独享 1200 万瑞典克朗奖金。

1944 年出生于比利时的哈尔岑，目前任教于美国威斯康星大学麦迪逊分校。从 1988 年公开提出南极冰层观测方案，到带领国际团队建成 IceCube，他推动科学家获得了一种观察宇宙极端环境的新方式。

宇宙粒子从哪里来，中微子能提供线索

哈尔岑试图回答的问题，来自不断抵达地球的宇宙射线。

宇宙射线中包含大量质子，它们的能量可以远超地球上粒子加速器所能达到的水平。究竟是什么天体、通过什么过程，将粒子加速到如此惊人的能量，长期以来都是天体物理学的重要谜题。

追踪这些质子的来源并不容易。质子带有电荷，穿越宇宙时会受到磁场影响，运动方向不断改变。即使科学家测出它们抵达地球时的方向，也很难沿着原路找到出发地。

中微子提供了另一条线索。能够产生高能宇宙射线的环境，也可能产生高能中微子。中微子不带电荷，几乎不受磁场影响，又极少与沿途物质发生相互作用，因而能够携带来自遥远源头的信息。

普通望远镜难以看清的尘埃深处，或其他辐射难以抵达地球的遥远区域，都可能通过中微子留下可供研究的线索。

困难也随之而来。中微子与物质发生相互作用的概率极低，它们可以穿过人体，甚至穿过整个地球，却几乎不留下痕迹。每秒都有约 650 亿个来自太阳的中微子穿过你的小指指甲，你对此毫无感觉。

因此，科学家需要足够庞大的探测介质，等待极少发生的相互作用。对于更加稀少的宇宙高能中微子，探测器的规模尤其关键。

南极冰层，成了一座巨型望远镜

早在上世纪 60 年代，就有物理学家提出，利用大体积的水来寻找宇宙中微子。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，可以发出微弱的蓝光。记录光信号，就有机会推断中微子的能量及来向。

哈尔岑意识到，南极天然存在的厚重冰层也能承担类似任务。

足够深的冰层长期处于黑暗之中，没有海洋生物产生的光信号干扰，放射性背景较低，环境也相对稳定。南极点已有科考站，为运输和科研人员工作提供了基础条件。

1988 年，哈尔岑与研究中微子的同行约翰·G·勒恩德（John G. Learned）公开介绍了这项构想。随后，多家机构的研究人员和工程师陆续加入，开始把理论变成实际装置。

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。哈尔岑曾把传感器形容为「反过来的灯泡」，它们接收光，再将光转换成电信号。

不过，最初的尝试并不顺利。浅层冰中的大量气泡会让光四处散射，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。

发现合适的冰层，只解决了部分问题。IceCube 的前身 AMANDA 虽然验证了方案可行，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。

2011 年，IceCube 完成建设。5160 个光传感器分布在 86 条缆线上，埋藏于地表下约 1450 至 2450 米的冰层中，覆盖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，才让南极冰层成为一座能够持续观测的中微子望远镜。

找到宇宙来客，还要从海量信号中辨认

仪器建成后，研究人员面对的挑战，是判断记录下来的信号究竟来自哪里。

每天，IceCube 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。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。

大量信号属于地球附近的背景，研究人员真正寻找的宇宙高能中微子混杂其中。

团队需要结合能量、方向和相互作用位置等信息筛选事件，并判断整组数据是否明显超出大气背景能够解释的范围。单个事件未必足以确认来源，发现必须建立在统计证据之上。

2013 年，IceCube 团队报告了首次支持宇宙高能中微子存在的证据。随后数年，随着数据积累，研究人员进一步确认了发现。人类终于能够利用这些粒子，系统研究遥远宇宙中的高能过程。

中微子此前已经帮助科学家研究太阳和超新星，相关成果曾获得 2002 年诺贝尔物理学奖；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。哈尔岑推动的工作，将观测延伸到了更高能量的宇宙中微子。

当然，发现宇宙高能中微子，只是寻找宇宙粒子加速器的开始。接下来，科学家还需要把它们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，研究人员也观测到了来自银河系的高能中微子信号。

更多观测设施正在加入。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，将观测规模扩大至约八立方公里。

哈尔岑的贡献，让人类多了一种获取宇宙信息的方式。过去，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，正在帮助科学家追问宇宙中最强大的天然加速器究竟藏在哪里。