在南极深冰下，等一封宇宙来信——新科诺奖成果解读

穿过我们的身体，甚至穿过整个地球，“宇宙中最害羞的粒子”——中微子通常不留痕迹。不过，在南极深冰下，来自遥远宇宙的高能中微子偶尔也会因与原子核的碰撞而激起微光。这些微光由埋在冰中的探测器记录下，我们就可能读到“宇宙来信”。

为接收这样的“来信”，2026年诺贝尔物理学奖得主弗朗西斯·哈尔岑和同行，把1立方千米南极深冰变成了一座特殊“邮箱”——冰立方中微子天文台。

这是10月6日在瑞典斯德哥尔摩拍摄的2026年诺贝尔物理学奖公布现场。新华社记者吕优摄

“悄无声息”的独特“信使”

每秒，约有650亿个来自太阳的中微子穿过你的小指甲，它们既让你毫无察觉，也让科学家难以探测。

还有一些中微子或从遥远的宇宙传来。其中有些中微子的能量远高于太阳中微子，数量却稀少得多，可能带来它们诞生之地的消息。

寻找它们，是为了追问一个谜题：宇宙中的一些粒子，究竟在哪里、通过什么过程，获得了远超地面加速器所能赋予的能量？这些天然的粒子加速器，又是怎样工作的？

直接追踪这些粒子并不容易，宇宙射线中的许多粒子由于带电，会被磁场改变方向，抵达地球时，来路已经难以辨认。中微子则提供了另一条线索，这种不带电的“信使”不会被磁场带偏，又极少受到物质阻拦，有机会从光难以穿透的地方带出消息。

诺贝尔物理学委员会主席马克·皮尔斯解释说，这意味着，观测宇宙不一定只能依靠光，也可以借助中微子带来的信息。

可是，对如此“悄无声息”的访客，我们怎样才能捕捉到其到访的证据？

1988年在波兰举行的一次会议上，哈尔岑和同行首次提出在南极利用冰层建设中微子天文台的构想，希望以足够大的探测体积，捕捉极少数中微子与原子核发生相互作用后产生的信号。

不过，“这是一场不能保证成功的冒险。”哈尔岑6日在获奖后回忆说。

图片来源于诺贝尔奖官网。这是在巨大冰块中探测中微子的示意图。

深埋冰层的特殊“邮箱”

“我们的最大风险是，没有人知道，1立方千米的探测器究竟是否足够大，大到能够发现来自地球大气层之外、来自宇宙的中微子。”哈尔岑说。

中微子本身并不发光。但当它偶尔撞上冰中的原子核，就可能产生一些带电粒子。这些粒子在冰中高速运动时，会发出微弱的光。

要捕捉这种微光，就需要在冰层中布设光传感器。哈尔岑把这些传感器比作“反向灯泡”：与灯泡相反，它们接收光后，会把光变成电信号。根据接收到的光量，研究人员可以估算粒子在冰中留下了多少能量；再根据光到达不同传感器的时间差，推算中微子的来向。

怎样把这些传感器送进深冰？研究人员向冰川学家学习，用高压热水在冰层中融出深孔，再把串有光传感器的长缆缓缓放进去。

前期实验逐渐证明了这条路走得通，在此基础上建设的冰立方中微子天文台，到2011年达到完整规模：5160个光传感器分布在86条长缆上，主要阵列位于冰面下1450米至2450米，覆盖约1立方千米冰体。

图片来源于诺贝尔奖官网。这是冰立方中微子天文台工作原理示意图。

尚待解读的远方“来信”

仪器建成后，还要辨认信号：宇宙射线也会在大气层中产生中微子，要寻找来自遥远宇宙的中微子，需要科学家对探测到的事件进行筛选，分析粒子的能量、方向等特征，判断数据是否超出了大气背景所能解释的范围。

2013年，研究团队报告了两个能量极高的中微子事件，获得了具有天体物理起源的高能中微子的首批证据。后来研究团队识别出更多高能事件，并确认了来自地球大气层之外的高能中微子。

不过，“寄信人”的信息还很模糊。星系NGC 1068是受到关注的候选来源之一，但有关证据尚不足以作出判定；冰立方也发现了银河系的高能中微子信号，但尚未能锁定具体的源头。

尽管这些宇宙“来信”的具体出处仍待追索，中微子探测的边界已被拓宽。人类此前已经探测到来自太阳和超新星的中微子，冰立方则把探测推广到更高能量范围，正如诺贝尔物理学委员会委员埃娃·奥尔松在发布会上所说，它使中微子天文学“跃升到了一个新的高度”。

图片来源于冰立方中微子天文台官网。这是在银河和极光背景下的探测设施。

诺贝尔物理学委员会委员、瑞典乌普萨拉大学教授奥勒·埃里克松在接受新华社记者采访时说，冰立方探测到的高能中微子带来了遥远宇宙事件的信息，帮助人类更深入地认识所处的世界。这不只是深奥的科学，很多时候，这类科学成就最终会产生实际应用。

透过中微子天文学这扇新窗口，我们能了解宇宙的哪些事情？哈尔岑的回答出人意料：“真正令人兴奋的是，我还无法回答这个问题。”

从最初的设想到冰中的微光，数十年的坚持并没有为所有疑问画上句号，南极深冰中的传感器仍在记录，那些遥远的“寄信人”尚未显露身份。但一些过去无从追问的问题，如今已经有了寻找答案的可能。对宇宙的这种“来信”，我们正在阅读。

来源：新华社

编辑：李雨