2026年10月6日,瑞典皇家科學院宣布,本年度諾貝爾物理學獎授予比利時裔美國學者弗朗西斯哈爾岑(Francis Halzen),表彰他對冰立方(IceCube)中微子天文臺的決定性貢獻,以及對來自天體物理來源高能中微子的發現。得獎理由指出,哈爾岑為一種全新類型的天文學奠定了基礎。
根據澎湃新聞引述的官方資料,哈爾岑提出利用南極冰川的冰捕捉中微子,並最終領導建成冰立方中微子天文臺,用於追蹤來自遙遠宇宙的中微子訊號。
為何要捕捉「幽靈粒子」
中微子不帶電荷、質量近乎為零,穿過物質時極少留下訊號,也因此被稱為「幽靈粒子」。官方資料給出一個具體數字:每一秒約有650億個來自太陽的中微子穿過人的小拇指指甲,人體毫無感知。
在宇宙中能把訊息帶到地球的「信使」有三種:宇宙射線、伽馬輻射與中微子。前兩者各有短板。宇宙射線中的帶電粒子會被磁場改變方向,難以追溯來源;伽馬射線則容易被星際塵埃與物質吸收阻擋。中微子不帶電荷,幾乎不受磁場與塵埃影響,能從遙遠宇宙環境直線抵達地球,不損失能量、不改變方向,科學家可依其方向反推產生它們的高能天體。
中微子天文學的既有脈絡
這條研究路線並非始於冰立方。20世紀60年代,小雷蒙德戴維斯(Raymond Davis Jr.)首次觀測到來自太陽的中微子;日本神岡探測器團隊其後證實此結果,並於1987年觀測到對應大麥哲倫雲超新星爆發的中微子。戴維斯與小柴昌俊因此獲得2002年諾貝爾物理學獎。
當時存在「太陽中微子失蹤」之謎:戴維斯捕捉到的中微子數量僅為理論預測值的三分之一。後續研究證實,中微子會在不同類型之間「變身」,一種類型的中微子在產生後、抵達探測器時可能已轉變為另一種類型。這項可變性質由日本與加拿大的實驗揭示,梶田隆章與阿瑟B麥克唐納(Arthur B. McDonald)因此獲2015年諾貝爾物理學獎。
高能中微子與「宇宙粒子加速器」
在太陽中微子與超新星中微子之外,科學家認為來自遙遠宇宙的高能中微子是破解「宇宙粒子加速器」之謎的關鍵線索。部分抵達地球的宇宙射線粒子能量遠超地球實驗室加速器所能達到的規模,其來源至今未明。物理學的一項提示是:能把質子加速到高能的過程,同樣會產生高能中微子。找到高能中微子,就有了追溯其誕生地的線索,可能的來源包括恆星爆炸的劇烈區域與遙遠的活動星系。
從設想到南極冰層
哈爾岑在比利時長大,早年研究由誇克構成的重粒子,博士畢業後赴美國威斯康辛大學麥迪遜分校任教,其後轉向抵達地球的空間粒子研究。1960年前後已有物理學家提出,透明的水適合捕捉太空中的中微子:中微子與原子核碰撞後會產生發出藍光的帶電粒子,配合適當設備可判讀光的傳播方向,進而回推中微子的來向。
20世紀80年代,哈爾岑意識到南極的冰可能是捕捉這類粒子的理想介質,前提是需要夠大體積的透明物質,他因此想到利用天然冰體。1988年,他與同事約翰G勒尼德(John G. Learned)首次提出在南極點冰層中建設中微子天文臺的構想。南極冰體量充足,且地質穩定、沒有地震,符合觀測需求。
冰立方最終在千米厚的南極冰層之下建成,以光學感測器陣列搜尋中微子碰撞產生的微弱閃光。依官方表述,此次授獎所肯定的,正是哈爾岑從構想、推動到建成這座觀測設施的長期工作,以及高能中微子的發現本身。
本屆獎項的後續頒獎典禮與相關研究進展,本臺將依官方公布資訊持續整理。