在坚冰下捕捉宇宙“幽灵粒子”——2026年诺贝尔物理学奖解读

利用南极冰川捕捉一种神秘的幽灵粒子粒子——中微子(艺术图)。
◎本报记者 刘 霞
10月6日,坚冰奖解瑞典皇家科学院宣布,下捕2026年诺贝尔物理学奖授予比利时科学家弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen),捉宇宙年以表彰他对冰立方中微子天文台的诺贝决定性贡献,以及对天体物理起源的尔物高能中微子的发现。
哈尔岑以非凡的理学想象力、坚韧不拔的幽灵粒子精神,以及科学方面的坚冰奖解远见卓识,为一种全新的下捕天文学奠定了基石。他提出利用南极冰川捕捉一种神秘的捉宇宙年粒子——中微子。这一构想最终催生了冰立方中微子天文台,诺贝使人类得以追踪来自遥远宇宙深处的尔物中微子,窥探那些肉眼无法触及的理学宇宙奥秘。
早在20世纪80年代,幽灵粒子哈尔岑便意识到,南极的冰层或许是捕捉足够多宇宙中微子的理想介质。他很快说服了众多同行,1992年,一群坚韧的研究者与工程师首次尝试将光传感器植入南极冰川。约20年后,曙光初现:冰立方中微子天文台记录到高能中微子事件,其特征指向遥远宇宙。寻找宇宙中微子起源的工作,由此正式拉开序幕。
寻找中微子的契机,源于他对另一种粒子——宇宙射线的观测。宇宙中不断有高能粒子穿过,它们多为质子,即氢原子核。这些来自太空的质子有时携带着惊人能量,远超地球上任何人造粒子加速器所能达到的极限。物理学告诉我们,能将质子加速至高能的过程,必然同时产生高能中微子。因此,中微子成为破解“宇宙粒子加速器”之谜的关键钥匙。
20世纪80年代,哈尔岑意识到,在冰川中安装光传感器,可捕捉碰撞产生的微弱闪光。他联系了参与夏威夷深海中微子探测项目的同事约翰·G·勒纳德。两人共同探讨在南极冰层中捕捉中微子的机遇与挑战。
短短数年内,来自不同机构的研究者纷纷汇聚于哈尔岑周围,共同推动南极中微子天文台梦想的实现。科学家首先在格陵兰冰层中测试传感器,验证其能否记录粒子产生的光信号。随后,他们开始在南极建造首个中微子天文台——冰立方的前身,即高能中微子探测器阵列。
然而现有装置不足以完成探测高能宇宙中微子的使命,研究需要更大的探测体积。于是,冰立方应运而生:一立方公里的冰体,配备5160个光传感器,分布于86条缆线上。2010年9月,探测器全部布设完成、投入运行;2011年宣告项目正式完工。
为找到被称为“幽灵粒子”的宇宙中微子,科学家必须筛选出冰中发生相互作用的中微子事件。即便无法完全确定单个中微子的宇宙起源,他们仍可分析所有候选事件的整体特征,判断其是否符合宇宙中微子的预期,并与大气中微子区分开来。2013年,团队报告了首个支持“已发现宇宙中微子”的证据。数年后,随着数据积累,这一发现得到确证。
近年来,冰立方团队还首次观测到来自银河系内部的高能中微子。科学家推测,这些中微子产生于宇宙射线与恒星间稀薄气体原子碰撞之时。
中微子,这一宇宙信使,正带领我们走向一个更深远、更神秘的天文学新时代。
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