茉莉花深度报道
今年的诺贝尔物理学奖颁给了比利时出生的物理学家弗朗西斯·哈尔岑：他在1988年提出用南极的冰捕捉来自宇宙的中微子，后来领导建成一立方公里的冰立方中微子天文台。它第一次抓到了来自太阳系外的高能中微子，证明能用中微子观测宇宙；可大部分宇宙中微子从哪里来，到现在还没有答案。
要点
- 冰立方是南极一立方公里的冰，5160个传感器挂在86根电缆上，位于冰面以下1450米到2450米之间。
- 2013年冰立方报告28个高能中微子事件；2014年发表的结果用2010年到2013年的37个候选事件，以5.7σ排除了它们全部来自地球大气的解释。
- 到2026年，只有银河系盘面的信号越过5σ；TXS 0506+056和NGC 1068只有3.5σ和4.2σ。
- 这个奖只给了哈尔岑一人，冰立方合作组约有450人；更大的冰立方二代至今没有获批。
- 我们的分析冰立方证明了能用中微子观测宇宙，大部分宇宙中微子的来源要靠更大的探测器回答。
10月6日，瑞典皇家科学院宣布，把2026年诺贝尔物理学奖授予美国威斯康星大学麦迪逊分校的弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）。他人在意大利，周二通过电话和诺贝尔委员会交谈。美联社报道，他说：“这是个巨大的惊喜，我显然没有料到。”他得奖，靠的是冰立方中微子天文台，它在南极点，是一立方公里装着光传感器的冰。它要抓的中微子，几乎不和任何东西打交道：每秒约有六百五十亿个来自太阳的中微子穿过你的一片指甲，你毫无察觉。用一立方公里的冰去抓这样的粒子，凭什么值一个诺贝尔奖，它又让人看到了什么？
答案是：冰立方第一次抓到了来自太阳系外的高能中微子，证明人可以用中微子观测宇宙；它已经看到银河系和少数几个遥远的星系，可大部分宇宙中微子从哪里来还不知道，要靠更大的探测器来回答。诺贝尔物理学委员会主席马克·皮尔斯（Mark Pearce）说，哈尔岑的坚韧和科学远见“为一种新型天文学铺平了道路”。
每秒穿过指甲的六百五十亿个粒子
中微子是什么，为什么值得费这么大力气去抓？中微子不带电，质量几乎为零，通常不知不觉地穿过物质，很少撞上原子核。它难抓，它的价值也正在这里。
宇宙线在1912年就被发现了，它们主要是质子。最高能的宇宙线从哪里来，一直是个谜：质子带电，在太空中飞行时路径会被磁场弯曲，到达地球时的方向指不回它的出处。瑞典皇家科学院说，宇宙里有天然的粒子加速器，射出的粒子能量最高可达地球上实验室所能达到的一百万倍。把质子加速到高能量的过程，也会产生高能中微子。中微子不受磁场影响，途中几乎不被吸收，沿直线飞来，到达地球的方向能指回它的源头。伽马射线穿越太空时会因为与光和物质作用而减弱，中微子不会，所以科学家希望借它看到被尘埃云遮住、或者远到其他辐射在途中已经消失的天体。
打个比方，中微子是一位从宇宙深处直奔地球的信使：沿途的磁场改不了它的路，几乎也没有东西拦得住它，它来的方向就是它出发的地方。这个比喻有两处不对。信使是专程来送信的，中微子只是路过：绝大多数中微子一声不响地穿过物质；探测器看到的也不是中微子本身，是它偶尔撞上原子核后留下的光。信使几乎不停下，难处就在这里：要等到足够多的中微子撞上原子核，探测器必须极大，要用立方公里级的冰或水。一立方公里的冰约重十亿吨，冰立方是第一个达到这个级别的中微子探测器。
用中微子观测天空，冰立方并不是第一个。1960年代，雷蒙德·戴维斯在美国南达科他州一座金矿的地下深处，用一大罐富含氯的干洗剂捕捉太阳中微子；1987年，小柴昌俊领导的神冈探测器记录到大麦哲伦云里一颗超新星爆发发出的中微子，两人因此分享了2002年诺贝尔物理学奖的一半。不同的是，他们抓到的是太阳和大麦哲伦云里一颗超新星的中微子，冰立方要抓的，是来自太阳系外更远处、能量高得多的中微子。
一立方公里的冰怎样“看见”中微子
冰立方怎样从冰里看到一个看不见的粒子？回到信使的比喻：冰立方并不拦下信使，它等的是信使偶尔撞上冰里的原子核时留下的那道光。可以分四步说。第一步，中微子撞上冰里的原子核，产生一个带电粒子，这个粒子沿着原来中微子的方向往前跑。第二步，这个带电粒子在冰里跑得比光在冰里还快，于是一路发出蓝光，这种光叫切伦科夫光（Cherenkov radiation）。第三步，冰里的传感器记下这道光：根据收到的光有多少推算中微子的能量，根据光到达各个传感器的先后推算它从哪个方向来。第四步最难：从海量的干扰里，挑出真正来自宇宙的那几个。
冰立方的5160个传感器挂在86根电缆上，位于冰面以下1450米到2450米之间。每根电缆挂60个传感器，上下相隔17米；电缆之间相距125米，排成六边形。每个传感器里有一个直径25.4厘米的光电倍增管，这是一种光探测器，旁边是把信号数字化的电子设备。安装时先用高压热水把冰融出约2450米深的孔，把挂着传感器的电缆放进去；孔里的水重新冻结，传感器就被冻在冰里。冰下的信号送到冰面上的冰立方实验室，再经卫星传出去分析。
为什么建在南极点？那里有大量清澈、纯净又稳定的冰，还有现成的阿蒙森－斯科特科考站，运输和后勤都有。深冰也比海水安静：海水和湖水里有生物发光和放射性钾-40衰变发出的光，深冰里没有生物干扰，放射性物质也很少。代价是施工只能在南半球的夏季，大约每年十一月到次年二月。
再说第四步。宇宙线撞击南极上空的大气，会产生能钻到传感器那么深的粒子，冰立方每天记录到的这类信号超过一亿个。宇宙线在大气里也会产生中微子；冰立方一年记录到约10万个中微子，多数是在地球大气里产生的。研究者的一个办法是只挑从地平线以下射来、也就是来自北半球天空方向的径迹，这样就能大大压低大气里产生的μ子的干扰。另一个办法是看能量：太阳、放射性物质和大气里产生的中微子能量低得多，能量越高的中微子，越可能来自外太空。
冰立方看到的信号有两种。μ中微子撞击后产生的μ子能在冰里走很远，留下一道长长的光迹，叫“径迹”；它指向准，在100 TeV（万亿电子伏特）的能量下，角度误差约0.3度。其他撞击把能量集中在一小块冰里，光近似一个球，叫“级联”；它的方向难定，能量却测得比径迹准。
从一次会议上的设想，到冰下的第一根电缆
这台仪器是怎么来的？起点是一个做理论研究的物理学家。哈尔岑1944年生于比利时蒂嫩，1969年在比利时鲁汶大学获得博士学位，之后在日内瓦的欧洲核子研究中心工作；1971年，他收到邀请，到威斯康星大学麦迪逊分校作六个月的研究访问，1972年起成为该校物理系教员，此后一直在那里。他起初研究由夸克构成的重粒子，后来逐渐认识到，粒子物理能从来自太空的粒子中学到东西，天体物理也能反过来借助粒子物理。
1980年代，他听说苏联科学家打算在南极用无线电接收器捕捉中微子信号。他受到启发，想到另一个办法：在冰川的冰里装光传感器，寻找中微子碰撞时发出的闪光。1988年，他和约翰·勒尼德（John G. Learned）在波兰的一次会议上，第一次提出在南极冰中捕捉中微子的构想。勒尼德当时是深海中微子探测项目DUMAND的发言人，此后一直专注于领导DUMAND的研制。DUMAND计划在夏威夷外海约4800米深的海里布设探测器，1993年放下第一串，很快因为技术故障失效，1995年终止。南极这边，几年之内就有各机构的研究人员聚到哈尔岑身边。
哈尔岑描述过1993年的平安夜：他坐在餐桌旁，电脑放在腿上，等一条消息，确认第一根带光学模块的电缆已经放进冰里。这是冰立方的前身AMANDA：1993/94年的南半球夏季，第一批电缆放进了800到1000米深的冰里。结果令人失望。那个深度的冰里还有气泡，光被气泡反复散射，方向被打乱，粒子的径迹无法重建。转机在更深处：大约1400米以下，冰里几乎没有气泡，非常透明，光在被吸收之前能走很远。
哈尔岑后来写道：“我猜别人一定也想到过同样的主意，然后放弃了。要不是我当时对天然冰的光学性质一无所知，我大概也会这样做。”AMANDA分阶段建到2000年1月，大部分光学模块放在1500到2000米深处，一直运行到2009年。1999年，以哈尔岑为首席研究员的冰立方建设提案交给了美国国家科学基金会。冰立方2004年开工，86根电缆在2010年底前全部放进了冰里。
- 1912年宇宙线被发现，最高能宇宙线的来源从此成谜
- 1988年哈尔岑和勒尼德在波兰的一次会议上提出在南极冰中捕捉中微子
- 1993年夏威夷外海的DUMAND放下第一串探测器，很快失效
- 1993/94年AMANDA第一批电缆放进南极800到1000米深的冰里，气泡让光散射
- 1999年以哈尔岑为首席研究员的冰立方提案交给美国国家科学基金会
- 2010年底86根电缆全部放进冰里
- 2013年冰立方报告28个高能中微子事件，太阳系外高能中微子的第一份有力证据
- 2017年9月22日抓到约290 TeV的中微子，来向对着耀变体TXS 0506+056
- 2022年约79个中微子来自活动星系NGC 1068方向，显著性4.2σ
- 2023年首次看到银河系盘面发出的高能中微子，显著性4.5σ
- 2026年冰立方升级工程完工，新增五根电缆
- 2026年10月6日哈尔岑获诺贝尔物理学奖
数据：诺贝尔委员会2026年的科普和科学背景材料、冰立方合作组与各期刊论文
冰立方也不是一个人建成的。和哈尔岑一起提出构想的勒尼德，后来没有再回到这条路上；AMANDA的创始成员布福德·普赖斯（P. Buford Price）、早期发起人史蒂夫·巴威克（Steve Barwick），以及冰立方合作组首任发言人、瑞典物理学家佩尔·奥洛夫·胡尔特（Per Olof Hulth），都不在得奖名单里。2014年哈尔岑获得“美国创造力奖”，他在新闻稿里说，这个奖献给为冰立方作出贡献的许多人。
抓到了什么，证据有多强
冰立方到底抓到了什么？先说物理学家衡量证据的尺子。物理学家宣布“发现”，要求证据越过5σ（西格玛）这道门槛；3.5σ只算“证据”，离“发现”的强度还差得远。
2013年，冰立方在《科学》杂志报告了28个高能中微子事件，这是太阳系外存在高能天体物理中微子的第一份有力证据。其中两个能量超过1 PeV（1千万亿电子伏特）的事件被起了昵称“伯特”和“厄尼”，两个事件的能量是1.04 PeV和1.14 PeV。2014年发表的结果，用2010年到2013年三年数据里的37个候选事件，以5.7σ排除了它们全部来自地球大气的解释。
下一步是找出它们从哪里来。2017年9月22日，冰立方抓到一个能量约290 TeV的中微子，不到一分钟就向全球天文界发出警报；它的来向与一个已知的伽马射线耀变体TXS 0506+056的位置一致，这个耀变体当时正处于耀发状态。美国航天局的费米伽马射线太空望远镜和加那利群岛的MAGIC望远镜，都看到这个耀变体发出一阵高能伽马射线耀发，这是费米望远镜十年来看到它最强的一次；全球约20个地面和太空观测设施参与了辨认，科学家认为它是一个甚高能中微子源。2018年7月，结果以两篇论文发表在《科学》杂志上；这个耀变体在猎户座方向，距地球约四十亿光年。冰立方回头翻查存档数据，又发现2014年底到2015年初有十几个中微子来自同一方向，显著性3.5σ；2017年那一个中微子与耀变体的关联，只略高于3σ。
2022年，冰立方在2011年到2020年的数据里，发现约79个中微子来自活动星系NGC 1068方向，显著性4.2σ。这个星系距地球约四千六百万到四千七百万光年，中心的超大质量黑洞被厚厚的气体和尘埃包着。诺贝尔委员会的科普材料说，这个证据还不够有力，还不能确定NGC 1068就是中微子源。2023年，冰立方用机器学习分析10年、约6万个中微子的数据，以4.5σ第一次看到银河系盘面发出的高能中微子。2026年用12年数据更新后，显著性升到5.7σ，诺贝尔委员会说，银河系由此成为第一个越过5σ“发现”门槛的高能中微子源。
| 发现 | 发表年份 | 显著性 |
|---|---|---|
| 宇宙中微子存在（37个事件） | 2014年 | 5.7σ |
| TXS 0506+056（2017年单个中微子） | 2018年 | 略高于3σ |
| TXS 0506+056（存档数据） | 2018年 | 3.5σ |
| 活动星系NGC 1068 | 2022年 | 4.2σ |
| 银河系盘面（10年数据） | 2023年 | 4.5σ |
| 银河系盘面（12年数据） | 2026年 | 5.7σ |
数据：冰立方合作组在《科学》等期刊的论文；诺贝尔委员会2026年的科学背景
把这些放在一起看：冰立方证明了宇宙中微子真实存在，也认出了几个候选源，可这些源只能解释其中一小部分，大部分宇宙中微子从哪里来，仍然不清楚。
也有人认为，冰立方已经找到了中微子的源头。冰立方合作组在自己的网站上写道，冰立方已经认定两个星系是中微子源；德国电子同步加速器研究所的马雷克·科瓦尔斯基（Marek Kowalski）2022年说，冰立方好像交给了大家“一张藏宝图”。我们同意，银河系盘面的信号已经越过5σ；但两个星系的证据只有3.5σ和4.2σ，诺贝尔委员会自己也说NGC 1068的证据还不够有力，所以我们仍然认为，大部分宇宙中微子的来源要靠更大的探测器来回答。
还有一个谜没有解开。2023年2月13日，位于西西里岛东南外海的KM3NeT中微子望远镜的ARCA探测器，记录到一个估计能量约220 PeV的中微子，编号KM3-230213A，结果2025年发表在《自然》杂志。探测到它时，KM3NeT的这台探测器只建成了计划规模的约十分之一。相比之下，冰立方的最高纪录约为11.4 PeV，尽管它规模更大、运行更久。2026年，冰立方用15年数据在KM3-230213A的方向上寻找中微子源，没有找到中微子发射的证据，它说这个事件的来源“仍是个谜”。一篇把这个事件和冰立方、皮埃尔·俄歇天文台在数十PeV以上的“零观测”放在一起讨论的论文认为，两边的结果有张力：发表在《物理评论X》的论文写的是“轻微到中等”的1.6σ到2.9σ，预印本写的是约2.5σ到3σ，要更多数据才能分辨。
它能带来什么
这些发现对普通人有什么用？已经做到的、正在做的和科学家希望的，要分开说。已经做到的，首先是检验物理学：2017年，冰立方用10784个向上穿过地球的高能中微子产生的μ子，测出6.3 TeV到980 TeV能量的中微子与物质发生作用的“截面”，能量比此前的测量高一个数量级以上，结果与粒子物理的标准模型相符。哈尔岑当时说：“我们当然希望出现一些新物理，但遗憾的是我们发现，标准模型一如既往地经受住了检验。”
还有中微子以外的收获：冰立方和AMANDA在南极冰里钻了100多个深孔，研究人员在其中八个孔里测出冰中尘埃和火山灰的分层，重建了末次冰期的南极气候记录，还找到约七万四千年前、接近苏门答腊多巴超级火山喷发的火山灰层。今年完工的冰立方升级工程，又在约2450米深的冰下装了两台地震仪，冰立方称这是世界上最深的地震仪。
正在做的：冰立方一直在实时监测附近的超新星爆发产生的中微子暴，一旦探测到，就自动通过超新星早期预警系统（SNEWS）发布；这个由中微子和暗物质探测器组成的网络，能在超新星的可见光出现前数小时到数天向天文界预警。升级工程在2025/26年的南半球夏季，把五根装着新型光传感器的电缆密集地加装在原有探测器的中间；冰立方说，升级完成后，它将有5500多个光学模块，装在冰里的91个钻孔中。
科学家希望的：详细了解高能中微子怎样与地球物质作用之后，可以用中微子研究地核和地幔的组成、给地球内部成像，不过需要比2017年那项研究用的更多的数据。瑞典皇家科学院说，冰立方持续收集的数据，甚至可能揭示此前未知的宇宙现象。美国国家科学基金会时任主任弗朗斯·科尔多瓦（France Córdova）说过，多信使天体物理学的时代已经到来，这样的突破只能靠对基础研究的长期投入和对一流科研设施的投资。
下一步是更大的网。诺贝尔物理学委员会预计，未来十年会形成一个由新一代中微子望远镜组成的全球网络，包括南极的冰立方二代、地中海的KM3NeT、太平洋温哥华岛外的P-ONE、南海的TRIDENT和西伯利亚贝加尔湖的Baikal-GVD。其中贝加尔湖的Baikal-GVD在2018年到2024年间从设计规模的15%扩大到55%，并以5.1σ测到了宇宙中微子的弥散通量，结果和冰立方大体相符。
冰立方二代计划新增120根电缆，把探测体积扩大到八立方公里；2021年的白皮书估计，建设需要8年、约三亿五千万美元。截至2026年，它仍是提议中的项目，没有获得建设批准；2025年它进了德国一份重要科研基础设施的短名单，但这不等于承诺出资。美国国家科学基金会2025年提交的2026财年预算申请，曾把冰立方的运行经费削减49.6%；但冰立方在网站上说，基金会后来已经和威斯康星大学麦迪逊分校续签了五年、共五千三百万美元的合作协议，内容是冰立方在2026年到2031年继续运行和维护。
中微子望远镜也不是单独工作：冰立方抓到单个高能中微子后不到一分钟就公开发出警报，好让其他天文台一起寻找对应的光信号或同时出现的引力波；把这几种信息合在一起，就是多信使天文学。
一个人的奖，和接下来要看的事
这个奖只给了哈尔岑一个人，而冰立方合作组约有450人，来自14个国家的58个机构。诺贝尔基金会的章程规定，一个奖最多三人分享；《科学美国人》2012年的一篇社论写道，评选科学奖的委员会从来没有把奖授予机构，但基金会章程并不禁止。诺贝尔委员会选中哈尔岑，理由是他提出了构想、主持设计，并作为首席研究员领导了建造和运行。
这和2017年的物理学奖有几分相像。那年的奖颁给对LIGO探测器和观测引力波的“决定性贡献”，和今年颁奖词里的“决定性贡献”是同一个说法；LIGO背后有一千多名研究人员，得奖的雷纳·韦斯说，他把这个奖看作对大约一千人工作的认可。不同的是，2017年的奖由三人分享，今年只给一人；LIGO从首次探测到获奖只隔两年，冰立方从2013年的第一批证据到2026年获奖，隔了十多年。2015年的物理学奖也只给了梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳两人，同年的基础物理学突破奖则把三百万美元奖金分给了五个实验的1300多名科学家；不过那一次奖的是中微子本身的性质，也就是它有质量，今年奖的是用中微子去看宇宙。
什么情况会说明本文判断错了？如果冰立方在2030年之前，只靠现有阵列和升级后的数据，就认出了能解释大部分宇宙中微子的源，而且每个源都越过5σ，本文“大部分来源要靠更大的探测器”的判断就错了。
接下来有三件事要看。第一，冰立方二代能不能获得建设批准：如果获批，说明美国愿意再建一台体积约为现有八倍的仪器去找宇宙中微子的源头；如果迟迟不批，说明这件事要更多地靠KM3NeT和Baikal-GVD等其他望远镜。我们判断，到2027年底，冰立方二代不会获得美国国家科学基金会的建设批准。它到2026年还只是提议中的项目，进了德国的短名单也不等于有人出钱；基金会新续签的五年合作协议，写的是现有冰立方到2031年的运行和维护。
第二，NGC 1068的信号能不能越过5σ：如果能，说明活动星系的黑洞周围确实是高能中微子的产地，中微子天文学就有了第一个越过5σ的银河系外的源；如果数据越多信号越弱，说明4.2σ里有巧合的成分。我们判断，到2028年底，冰立方会公布NGC 1068方向超过5σ的结果。银河系盘面的信号就是随着数据增加而增强的，10年数据是4.5σ，12年数据升到5.7σ；而NGC 1068的4.2σ只用了2011年到2020年的数据。
第三，KM3-230213A那样的超高能中微子会不会再出现：如果冰立方或KM3NeT再记录到能量超过100 PeV的中微子，说明超高能中微子并不像冰立方15年的数据显示的那样罕见；如果再也没有，说明KM3-230213A是一次罕见的个例。我们判断，到2028年底，冰立方不会公布能量超过100 PeV的中微子。它运行15年，公布过的最高能量约为11.4 PeV；今年它在KM3-230213A的方向上用15年数据寻找，也没有找到中微子发射的证据。
冰立方拿下诺贝尔奖，是因为它第一次抓到了来自太阳系外的高能中微子，证明人可以用中微子观测宇宙；它已经看到银河系和少数几个遥远的星系，可大部分宇宙中微子从哪里来，要等更大的探测器来回答。
茉莉花深度报道独立调研、撰写。
参考报道：冰立方合作组 · 冰立方二代（IceCube-Gen2） · 美国航天局（NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration）（7月12日） · 瑞典皇家科学院（Johan Jarnestad绘）（10月6日）
