哈尔岑的创新路径对我国大科学装置的启示

“科学重大发现不一定要用更贵的仪器，贵的不一定是最好的，而是要用聪明的仪器。最重要的是，要根据你的科学目标，发展一个聪明的方式来实现原创的科学发现。”10月6日，中国科学院上海天文台研究员、国家太空探源计划系外地球（ET）巡天卫星首席科学家葛健在看到比利时裔美国物理学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）获得2026年诺贝尔物理学奖时告诉澎湃科技，这条创新路径对于我国建设大型科学装置也有启示意义。 弗朗西斯·哈尔岑带领团队历经数十年攻坚，在南极冰层下构建起体积达一立方千米的探测网络，植入5160个高精度光学传感器，建成了全球独一无二的“冰立方”中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）。葛健说，哈尔岑团队“在南极确实做了一些很漂亮的工作”，“诺奖授予高能中微子一点也不意外，这就是重大成果。” 他认为，哈尔岑团队建造的IceCube，利用南极冰层纯净透明的特性作为巨大探测介质，精确捕捉高能中微子和水中原子核以及电子相互作用在冰中发出的微弱的契伦科夫辐射，以相对经济和巧妙的分布式布局，实现了原创性重大科学发现。这条较低成本创新路径，对于我国建设大型科学装置具有启示意义。 这就好比在太空部署900个一米级望远镜组成光谱阵列，以小口径实现30米级大口径望远镜的光谱聚焦能力，这是研究极其微弱物理信号、探索系外行星生命更经济的一种方式，也是葛健目前正在从事的研究。“可以用一些聪明的办法，做一些原创的科学，而不是简单地把经费堆起来。”葛健说，美国曾立项超导超级对撞机，在得克萨斯州开挖后，最终因造价过高、风险过大而被叫停，而IceCube则以聪明的方法完成了更多原创性工作。 引力波的直接探测开启了多信使天文学时代，中微子研究的重要意义之一则是打开了观测宇宙的新窗口，它提供了一种不同于电磁波和引力波的宇宙观测方式。 葛健介绍，在活动星系核、黑洞等物质密度极高的区域，电磁波往往无法逸出，而中微子因相互作用极弱，可以从这些致密区域中穿出。高能带电粒子在宇宙中会受到磁场偏转，难以回溯起源；而不带电的中微子仅参与弱相互作用，几乎不受磁场影响，能够保留其原初方向。因此，一旦探测到高能中微子流并配合后随观测，就可以顺藤摸瓜，确定其天体来源。“中微子天文学打开了一扇窗口，使我们能够观测极致密的高能天体，并研究其中的强子过程、粒子相互作用等内部物理过程。” 2003年，葛健曾到威斯康辛大学访问，“当时他们已经在做这方面的研究了。”葛健介绍，2013年，哈尔岑团队发现了宇宙中弥散的中微子流，但这些中微子流来自什么地方，目前仍不清楚。到2017年时，他们发现，部分高能中微子可能与活动星系核中的宇宙高能粒子加速作用相关。 后来IceCube又观测到一个能量约6.3 PeV的电子反中微子候选事件，这与格拉肖共振预言相吻合。也就是说，中微子实验观测到了与粒子物理预言一致的现象。这将中微子天文观测与基本粒子物理进一步联系起来，中微子不仅打开了多信使天文学窗口，同时也与粒子物理密切相关。葛健表示，粒子物理研究往往需要投入巨资建造高能加速器，成本极为高昂；而中微子天文观测则提供了另一条路径：通过探测宇宙中的高能反中微子，检验粒子物理学的一些预言。 2024年，IceCube合作组宣布首次以高置信度探测到来自天体的高能τ中微子。在天体物理源中，高能中微子产生时通常以电子中微子和μ中微子为主，然而中微子在穿越宇宙的漫长旅途中会发生振荡，电子中微子、μ中微子和τ中微子三者之间相互转化，葛健说，这也是机制检验的重大成果。