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今年物理诺奖颁给了一台望远镜,镜片是地球南极的万年寒冰

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2026年的诺贝尔物理学奖,颁给了一个把南极冰盖改造成望远镜的人。

瑞典皇家科学院10月6日宣布,今年的物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen),表彰他“对冰立方中微子天文台的决定性贡献,以及发现来自天体的高能中微子”。

来自宇宙深处的信使

哈尔岑今年82岁,出生在比利时蒂嫩,博士毕业后不久来到美国威斯康星大学麦迪逊分校,如今是那里的教授。今年的物理学奖只发给了他一个人。

哈尔岑的望远镜没有镜片。它是南极点地下1450米到2450米之间的一整块冰,体积1立方千米,里面埋着5160个光传感器。它看的也不是光,而是宇宙中最不爱露面的粒子:中微子。

中微子不带电,几乎没有质量,穿过物质时基本什么都不碰。就在你读这句话的这1秒里,大约有650亿个来自太阳的中微子穿过了你的小指指甲,你毫无感觉,指甲也毫无感觉。它们穿过整个地球,也跟穿过一团空气差不多。

正因为几乎不跟任何东西打交道,中微子反而成了最可靠的信使:从宇宙深处飞来,一路上它携带的信息完好无损。物理学家想靠它回答一个困扰了一个多世纪的问题。


来自太空的信使丨图源:Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

宇宙里到处飞着高速粒子,统称宇宙线。它们大多是质子,也就是剥光了电子的氢原子核。有些质子飞到地球时携带的能量高得离谱,远远超过人类最大的粒子加速器的加速能力。宇宙里一定有某种天然的加速器,把它们推到了这种速度。可是这些加速器在哪儿,没人知道。

麻烦出在质子带电。带电粒子在太空中穿过磁场时路线会拐弯,等它飞到地球,早就不记得自己从哪儿来了。你顺着它的来向往回看,看到的只是一片空。

中微子不带电,磁场拐不了它。而物理学告诉我们,能把质子加速到极高能量的过程,同样会产生高能中微子。所以只要抓到一个能量极高的中微子,顺着它的来向往回看,那头就应该是宇宙加速器本身。

抓它的办法,早在1960年前后就有物理学家提出过:用水。中微子偶尔会撞上一个原子核,撞出一个带电粒子,这个粒子会沿着中微子原来的方向继续飞,并且发出蓝光。水是透明的,光传得出去,布置合适的传感器就能看见这道光,算出它的方向,进而推出中微子从哪儿来。关键只有一点:水要足够多,多到能等来足够多次碰撞。

冰立方建成记

上世纪80年代,哈尔岑听说苏联研究者打算在南极用无线电天线捕捉中微子信号。他受到启发,想到另一条路:把光传感器埋进冰川,冰也是透明的,为什么不直接用天然的冰?

他找到正在美国夏威夷深海做类似项目的同行约翰·勒尼德(John G. Learned),两人一起琢磨南极的可行性,1988年在波兰的一次会议上第一次拿出了方案。

南极点的好处很多。那里本来就有科考站,有定期补给,有一套能让团队干活的后勤。冰盖深处永远黑暗,没有海洋里那些会发光的生物干扰,放射性物质也很少。冰是固体,人可以站在上面工作,这一带地质稳定,没有地震。坏处只有一个:严寒让一年里大部分时间进不去,所有实际工作只能挤在11月到次年2月的短暂夏季。

哈尔岑本来打算只做理论。勒尼德忙着自己的项目,再没回到南极这个话题。故事本可以到此为止。但这个想法吸引的人太多,几年之内,各个机构的研究者聚到哈尔岑身边,要把它变成真的。

第一道坎是怎么把仪器放进1千米深的冰里。冰川学家教给他们一招:用一个像花洒一样的热水钻头,一路把冰融穿。然后把串着光传感器的长缆绳放进注满水的洞里,等水重新冻住。哈尔岑把这种传感器叫作反过来的灯泡,灯泡是把电变成光,它是把光变成电信号。

团队先在格陵兰试了试,确认传感器能在冰里看到粒子发出的光。接着他们在南极点动工,建起了冰立方的前身,一个叫AMANDA的探测阵列。

1993年平安夜,哈尔岑坐在餐桌边,笔记本电脑放在腿上,等一条消息:第一根装着光学模块的缆绳已经放进冰里了。

结果最初很让人失望。冰的上层布满气泡,光被四处散射,粒子的运动信息全糊成一团。但再往下,情况突然变了。1400米以下的冰极其纯净透明,中微子撞出的那道蓝光能在里面传300米才被吸收,比所有人预想的都远得多。

AMANDA一直建到2000年1月。它一切正常,但还是不够大,抓不住那些来自宇宙加速器的高能中微子。于是团队接着建冰立方:整整1立方千米的冰,86根缆绳,5160个传感器。2011年,它达到了设计规模。


示意图:埋在冰里的天文台丨图源:Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

捕捉中微子

建成只是开始。冰立方每天记录的信号里,绝大多数都和宇宙深处无关。宇宙线撞进地球大气层,会打出成群的粒子,其中一些能一路钻到冰下的传感器,每天超过1亿个。宇宙线在大气里还会造出中微子,每天有几百个从北半球那边穿透整个地球,到达冰立方。

要在这片噪音里找出真正来自宇宙深处的中微子,靠的是能量。放射性物质、太阳、大气层产生的中微子能量都低得多。能量高到一定程度的中微子,不可能来自我们身边,只能来自很远很远的地方,比如恒星爆炸的残骸,或者遥远的活动星系。

单看一个事件,研究者没法百分之百确定它来自地球以外。但把所有筛出来的事件放在一起,看它们的整体特征是否符合宇宙中微子的预期、是否明显区别于大气中微子,就能下判断。2013年,团队报告了第一批证据。又过了两年,数据多到足以让他们确信:宇宙中微子,抓到了。


一个高能中微子穿过冰层的示意图丨图源:Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院

中微子天文学其实有过前史。上世纪60年代,雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis Jr)观测到了来自太阳的中微子。日本的神冈探测器在小柴昌俊带领下确认了这一点,还测出了中微子的来向。1987年,神冈又捕捉到一阵中微子,来自邻近的大麦哲伦云里一颗爆炸的恒星。两人因此获得2002年的诺贝尔物理学奖。

戴维斯当时还留下一个谜:他抓到的太阳中微子数量只有理论预测的1/3。后来人们才弄明白,中微子有3种,而且会在飞行途中变身,出发时是一种,到达时可能变成另一种,戴维斯的仪器只认其中一种。梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳(Arthur B. McDonald)因为揭示这种变身拿了2015年的诺贝尔物理学奖。

但以前抓到的中微子,不管是太阳的还是那颗超新星的,都是家门口的信使。冰立方要做的,是把中微子天文学推到宇宙深处,看那些藏在尘埃云后面、远到其他辐射半路就消失了的东西。伽马射线一路上会被光和物质消耗,中微子却什么都不在乎。这是一种其他任何手段都拿不到的信息。

至于宇宙加速器本身,目前最像的候选者是活动星系NGC 1068,也叫M77。冰立方记录到的中微子里,有79个看起来来自它的方向。不过这点证据还不够充分,不足以把它钉死为中微子源。抓到的中微子越多,找到源头的把握才越大。近几年,团队还看到了来自银河系内部的高能中微子,他们认为那是宇宙线撞上星际稀薄气体的产物。

当年启发哈尔岑的那个夏威夷深海项目,1995年就终止了。它的思路活在了贝加尔湖、地中海、南海和加拿大西海岸的一批水下中微子望远镜里。南极这边,冰立方的下一代也已经在规划,叫冰立方二代,体积将达到8立方千米。

从1988年波兰那场会议算起,哈尔岑在这件事上花了38年。现在,南极冰盖深处1450到2450米之间,5160个光传感器仍在一刻不停地工作,等着下一道来自宇宙深处的蓝光。

编辑:steed,李小葵

稍后,果壳将为大家带来2026年诺贝尔物理学奖的更多内容,敬请期待!

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