球友直播官网 - 南极冰层中的“宇宙幽灵”捕捉之旅：哈尔岑荣获诺贝尔物理学奖

10月6日，瑞典皇家科学院宣布将2026年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中所做出的杰出贡献，以及他对高能中微子天体物理来源的开创性发现。哈尔岑的工作为一种崭新的天文学分支奠定了基础，他提出利用南极冰川的冰层来捕捉这一神秘粒子——中微子，从而建立了冰立方中微子天文台，专门用于追踪来自宇宙深处的中微子。

那么，为什么科学家们要不遗余力地寻找中微子呢？中微子堪称宇宙中最难以探测的粒子，它们不带电，质量接近于零。在大多数情况下，中微子穿过物质的时刻几乎不会留下任何痕迹，它们与原子核的碰撞极为罕见。每秒钟，约有650亿个来自太阳的中微子悄然穿过人类的小拇指，却不会造成任何感知。这种粒子几乎不与物质相互作用，因此能够毫无障碍地穿透物体，像幽灵一般来去无踪，所以常被戏称为“幽灵粒子”。

科学家们追寻中微子的动力源于一种渴望，那就是解开“宇宙之谜”。在广袤的宇宙中，存在着大量被统称为“宇宙射线”的粒子，它们大多数是质子——即失去电子的氢原子核。当这些来自太空的质子以极高的能量抵达地球时，它们的能量甚至超过了地面实验室加速器所能产生的极限。这些极端高能宇宙射线的来源，一直是科学界无法解开的谜团之一。然而，物理学为此提供了重要线索：加速质子的过程同样会产生高能中微子，由此，中微子成为了破解“宇宙粒子加速器”之谜的重要钥匙。 球友直播官网

宇宙中存在三种能够将信息带到地球的“信使”：宇宙射线、伽马辐射和中微子。尽管前两种信使在传递宇宙信息时均存在显著缺陷，质子等带电粒子在穿越宇宙的过程中会被磁场偏转，难以追踪其源头；伽马射线在传播途中则容易被星际灰尘和物质所阻挡。相较而言，中微子却拥有独特的优势：它们不带电，几乎不受宇宙磁场和灰尘的干扰。中微子能够从遥远的宇宙抵达地球，几乎不损失能量，也不会改变方向。因此，研究者们能够根据中微子的方向反向追溯其产生来源。

更重要的是，科学家们可以将高能中微子与低能中微子区分开来。低能中微子通常源于放射性物质的衰变、太阳活动或宇宙射线与地球大气的相互作用，而那些具有巨大能量的高能中微子显然源自遥远的宇宙事件，或许是来自恒星爆炸的剧烈过程，或来自神秘的活动星系。

哈尔岑的成长经历与他对物理学的热爱密不可分。二十世纪六十年代，粒子物理学的快速发展吸引了他的注意，他最初专注于夸克构成的重粒子。博士毕业后，他在美国威斯康星大学麦迪逊分校任教，逐渐认识到，粒子物理不仅能够探讨到达地球的空间粒子，天体物理学也可以借此获得启发，从而开启了他对中微子天文学的探索。 球友直播官网

回溯历史，中微子天文学的旅程早在20世纪60年代便已起步。当时，小雷蒙德·戴维斯率先观测到了来自太阳的中微子，随后日本的神冈天文台团队成功确认了这一发现，并追溯到其源头。1987年，神冈天文台又探测到了与大麦哲伦云超新星爆炸对应的中微子，戴维斯与小柴昌俊因此获得了2002年诺贝尔物理学奖，证实了中微子在宇宙观测中的重要性。

然而，当时在研究中存在着一个棘手的问题：太阳中微子的缺失。物理学家逐渐意识到，中微子具有“变身”的能力，即一种类型的中微子在发射后，可能在到达地球探测器时变成了另一种类型。这一发现通过日本和加拿大的实验得到了证实。2015年，梶田隆章与阿瑟·B·麦克唐纳因揭示这一现象而获得诺贝尔物理学奖。

在20世纪60年代，科学家们便已提出利用水来捕捉太空中的中微子，因为水是透明的，能够让中微子与原子核碰撞后产生带电粒子所发出的蓝色光。如果配备合适的设备，就能确定光的传播路径，甚至识别中微子的来源。到了80年代，哈尔岑提出南极冰层可能是捕捉这种“神秘粒子”的理想材料，他设想在冰川中安装光学传感器，以寻找中微子碰撞时所产生的闪光。为此，他需要一个庞大的环境，而南极天然冰层就是理想选择。 球友直播官网

1988年，哈尔岑与同事约翰·G·勒尼德首次提出在南极冰层中建设中微子天文台的设想。南极冰层的体量巨大，地质稳定，不易受地震影响，其深处黑暗且未受生物活动的干扰。尽管为施工时间仅限于南极夏季，哈尔岑依然对这一计划充满信心。冰立方中微子天文台由一立方公里的冰体构成，内含多台光学传感器，这些设备被安装在玻璃外壳内，充分朝向下方，分布在1450米至2450米的地下深度。哈尔岑形容这些传感器为“反向灯泡”，它们不是发光设备，而是负责捕捉光，并将其转化为电信号。

1992年，科研团队和工程师第一次尝试将光传感器放入南极冰层的实验之中。然而，最初的尝试并不如愿，冰的上层因气泡而模糊了关于粒子运动的信息，使得探测变得困难。然而，经过多个实验后，科研人员发现，1400米以下的冰层极为纯净透明，为中微子的探测创造了理想条件，这一发现为哈尔岑的梦想付诸实施铺平了道路。