瑞典皇家科学院10月6日宣布，将2026年诺贝尔物理学奖授予科学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），以表彰其对冰立方（IceCube）中微子天文台的决定性贡献和发现具有天体物理起源的高能中微子。

为什么要探测被称为“幽灵粒子”的中微子？国内在该领域的研究有何进展？新京报记者采访了中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻和中国科学院高能物理研究所研究员陈明君。

“幽灵粒子”领域此前4次突破皆获诺贝尔奖

每秒钟有亿万个中微子穿过我们的身体，但人们从未感受过它们的“亲密接触”。

中微子是构成物质世界的12种基本粒子之三（电子中微子、缪中微子和陶中微子）。中微子的质量非常轻，小于电子的百万分之一，以接近光速运动。

宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留，每立方厘米大约有300个。中微子无处不在，恒星内部的核反应、超新星的爆发、核反应堆的运行，以至于岩石中的放射性物质衰变，都产生大量中微子。

但是，由于中微子与普通物质的相互作用很弱，它们可以轻松穿过人体、建筑甚至整个地球而不被任何物质吸收，不容易被检测到。因此，无所不在的中微子是基本粒子中人类了解最少的一种，被称为“幽灵粒子”。直到1956年，美国科学家才首次从实验中发现中微子。

中微子研究是国际粒子物理研究的热点，是唯一有超出粒子物理标准模型的新现象并取得重大突破的方向，也是粒子物理、天体物理和宇宙学研究的交叉前沿。此前，中微子物理研究领域的4次重大突破都获得了诺贝尔物理学奖。

中微子研究简史。中国科学院高能物理所供图

“冰立方”捕获近乎“隐身”的中微子

1988年，哈尔岑首次提出利用南极冰层探测中微子的设想。中微子几乎不与任何物质发生反应，但偶尔会有一个高能中微子撞上冰中的原子，产生带电粒子；这些粒子在冰中高速穿行时，会发出极其微弱的蓝色闪光。

在哈尔岑推动下，冰立方中微子天文台于2011年建成。该天文台利用约1立方千米体积的南极冰体，在其中部署光学传感器捕捉这些转瞬即逝的蓝光，从而反推中微子的方向和能量。

本来冰中会有大量气泡，光子散射非常严重，导致无法重建出中微子的方向。可是冰立方中微子天文台建成后，人们惊奇地发现南极地底的冰跟别处不一样，上万年的压力将冰压得非常密实，光散射问题比预想的要小得多。

“今年的诺贝尔物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑，实至名归，也是对我们中微子天文实验这行半个多世纪工作的一个褒奖。”陈明君说。

在他看来，哈尔岑教授作为一个理论物理学家，不仅是“冰立方”的提出者，也是“冰立方”的领导者和曾经的项目发言人，是“冰立方”取得成功的决定性灵魂人物。“冰立方”打开了利用中微子作为一种新的探针观测极端宇宙过程的窗口，从根本上确认了来自地外的高能中微子的存在，比如在银河系盘面上清晰地看到了中微子信号。

瑞典皇家科学院10月6日宣布，将2026年诺贝尔物理学奖授予科学家弗朗西斯·哈尔岑，以表彰其对“冰立方”中微子天文台的决定性贡献和发现具有天体物理起源的高能中微子。新华社发

“因此也可以说，‘冰立方’是我们中微子天文领域的先行者，打开了中微子天文学观测的学科领域，也向我们抛出了更深刻的问题：这些中微子究竟来自哪里？它们的起源天体是什么？我们看到的信号背后，对应着怎样的极端物理过程？”他说，要回答这些问题，建设新一代中微子望远镜势在必行。未来更大视场、更高灵敏度的中微子观测将不仅是“冰立方”的延伸，更是人类向着宇宙最隐秘角落的一次全新远征。

中国高能水下中微子望远镜选址贝加尔湖

目前，我国在超高能中微子探测领域有两个预研计划在做前期研究，就是高能水下中微子望远镜计划和海铃计划。

曹臻院士提到，中国提出的下一代中微子望远镜——高能水下中微子望远镜（HUNT），计划在千米级深水水域布设总规模达30立方公里的中微子探测器阵列。如何降低成本？他透露，HUNT需要部署约5万个单元探测器，每个探测器的成本哪怕只降低一小部分，整体项目经费就能大大节省。另外，选址贝加尔湖也可以大幅削减工程成本。贝加尔湖水深超过1300米，水质极为透明，湖床平坦，是中微子探测的理想场址。

这一目标的实现，还得益于江门中微子实验（JUNO）在建设过程中攻克的核心技术——20英寸光电倍增管，其灵敏面积非常大，覆盖同样大的体积所需的探测器数量显著减少，提高效率的同时也可以降低成本。HUNT有望在现有“冰立方”建设经费的水平上，实现从1立方公里到30立方公里的跨越。

他说，目前，高海拔宇宙线观测站“拉索”已经在银河系内发现了大量超高能伽马射线源，这些源被认为是潜在的中微子加速源。HUNT将与“拉索”形成互补，帮助科学家理解“什么样的天体以什么样的方式产生了中微子”，从而更深入地认识这些天体的本质。

此外，在2023年上海交通大学南海中微子望远镜“海铃计划”成果新闻发布会上，李政道研究所正式发布“海铃计划”蓝图，将探索建设中国首个深海中微子望远镜，通过捕捉高能（亚TeV到PeV量级）天体中微子来探索极端宇宙。“海铃”望远镜将以整个地球为屏蔽体，接收从地球对面穿透而来的中微子，因位于赤道附近，其可通过地球自转探测360度全天域中微子，与南极“冰立方”以及北半球其他中微子望远镜形成互补。

编辑：李明