2026年物理诺奖：成就了IceCube天文台

2026年诺贝尔物理学奖得主弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）推动了人类把南极洲下面一立方公里的冰，变成了一台“望远镜”。 瑞典皇家科学院10月6日宣布，2026年诺贝尔物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），以表彰他“对冰立方中微子天文台作出的决定性贡献，以及对源自天体的高能中微子的发现”。

哈尔岑出生于比利时，于鲁汶大学获得硕士和博士学位，1972年加入美国威斯康星大学麦迪逊分校。20世纪80年代中期，他开始系统研究高能中微子探测，并参与了AMANDA实验。后者是冰立方（IceCube）的重要技术前身。他推动了人类把南极洲下面一立方公里的冰，变成了一台“望远镜”。 中微子是一种几乎不与物质发生作用的基本粒子。它们能够穿过恒星、星系甚至行星，在宇宙中长距离传播，而不像光子那样容易被尘埃和其他物质吸收或散射。这一性质使中微子有可能携带来自极端天体物理环境的直接信息。 哈尔岑在20世纪80年代开始关注中微子天文学。他提出，可以利用南极深层冰作为探测介质：当高能中微子偶然与冰中的原子发生相互作用时，会产生带电粒子；这些粒子在冰中运动时产生微弱的切伦科夫光。埋在冰层中的光学传感器可以捕捉这些闪光，并据此重建中微子的方向和能量。 这个设想最终发展为IceCube中微子天文台。 IceCube位于南极点附近，由数千个光学传感器组成，埋设在地下约1.5至2.5公里深的冰层中，覆盖约1立方公里的探测体积。哈尔岑长期担任IceCube项目的首席研究员，是该项目从构想到建成并开展科学观测的关键推动者。 对中微子而言，南极冰层是一个天然的巨大探测器。深层冰远离地表的大气和其他干扰，冰本身又具有较好的光学性质，可以让中微子相互作用产生的微弱光信号传播到传感器。 2013年，IceCube公布了首批高能宇宙中微子事件。研究人员在此前数据中发现了几十个能量远高于地球大气中通常产生的中微子事件，其中两例因能量极高而被昵称为“伯特”和“厄尼”。这些结果为来自天体物理过程的高能中微子提供了有力证据，也标志着高能中微子天文学开始进入一个新的阶段。 此后，IceCube不断积累数据，并逐渐将探测到的中微子与宇宙中的具体天体联系起来。2017年，一枚高能中微子被追踪到一个遥远的耀变体；这为确定宇宙线粒子的来源提供了重要线索。 宇宙中存在能够把粒子加速到极高能量的天然“粒子加速器”，其能量可以达到地球实验室加速器难以企及的水平。但这些极端环境究竟位于何处、如何工作，至今仍有许多问题没有解决。 高能宇宙线粒子可以告诉科学家宇宙中存在强大的加速过程，却往往会在传播过程中偏转。光子则可能被尘埃和其他物质吸收。因此，仅依靠传统的电磁波观测，很难完整还原这些天体内部发生的事情。 它们不带电，不会被宇宙磁场改变运动方向；同时又很少与物质发生作用。因此，一个来自遥远天体的高能中微子，在抵达地球时仍大体保留着产生它的地方和过程的信息。 20世纪60年代，美国物理学家雷蒙德·戴维斯二世开始利用中微子研究太阳。日本物理学家小柴昌俊领导的神冈实验随后探测到太阳中微子，并在1987年探测到来自超新星SN 1987A的中微子爆发。中微子由此成为研究太阳和超新星内部过程的一种工具。戴维斯和小柴昌俊因相关工作分享了2002年诺贝尔物理学奖。 此后，中微子本身的性质也被进一步揭示。实验表明，中微子并非一种单一的粒子，而存在三种类型，并能够在传播过程中相互转化。这一发现解释了早期太阳中微子实验中长期存在的“中微子缺失”问题。2015年诺贝尔物理学奖授予梶田隆章和亚瑟·B·麦克唐纳，以表彰他们发现中微子振荡、证明中微子具有质量。 哈尔岑的工作则把中微子从研究太阳和超新星的工具，进一步变成了一种探索高能宇宙的观测手段。