愚公移山，他挖冰，还挖出个诺贝尔奖

2026年诺贝尔物理学奖得主弗朗西斯·哈尔岑（图片来源：诺贝尔奖官网）

冰立方中微子天文台（图片来源：冰立方合作组）

活在预言中的“幽灵粒子”

早在1930年，物理学家泡利就预言了中微子的存在。当时实验观察到，原子核在β衰变过程中，能量似乎不守恒，有些β粒子能量稍高一些，有些则稍低一些。

为了解释这一现象，泡利大胆假设，在β衰变中，除了电子之外，还有一些人类观测不到的粒子也一起产生了，并且带走了部分能量，才导致能量看起来不守恒。

这个粒子就是中微子。我们之所以观测不到它，是因为它质量极小，也不带电荷，还几乎不与物质发生相互作用，因此很难被普通方法检测到。

宇宙中的“幽灵”——中微子（图片来源：诺贝尔奖官网）

宇宙的“信使”

所以，中微子和宇宙又有什么关系呢？想要看透宇宙，就必须学会检测宇宙中的信息流。之前，人类接收宇宙发来的信息，主要有三种类型：

第一种是可见光，这是人类祖先就会看的，你每天抬头也能看到太阳、月亮和星星；但可见光会被星际尘埃遮挡，无法看到宇宙深处。

第二种是γ射线等电磁波，但同样会被星际介质吸收，而且还会发生衰减。

第三种是1912年发现的宇宙射线，它们本质上是高能粒子流，因为通常携带电荷，会在传播过程中被星际中的电磁场偏转，无法追溯其源头。

在中微子的存在被验证之后，物理学家一下子就盯上了宇宙中的高能中微子流。前面已经提到，中微子不带电荷，又基本不与其他物质发生相互作用，行进路径几乎不受任何星际物质的干扰。

相比起其他宇宙信号，中微子的行进路径几乎不受任何星际物质的干扰，能够直达地球（图片来源：诺贝尔奖官网）

这意味着，如果我们能够捕捉到中微子，就能沿着它的轨迹反推回它出发的位置，对那里的天体进行“透视”。这就像收到一封来自遥远宇宙的信件一样精准。因此，捕捉高能宇宙中微子就成了天体物理学家们梦寐以求的大事件。

来自宇宙深处的高能中微子（艺术家想象图）
（图片来源：DESY）

闪在水面下的诱人“蓝光”

中微子虽然难以捕捉，但并非完全无迹可寻。当它偶尔与物质发生相互作用时，会产生一些带电粒子，例如电子和缪子（一种和电子类似的粒子）。

由于宇宙中的中微子能量很高，因此产生的带电粒子速度也是极快的。问题在于，它们都是转瞬即逝的，如何在它们消失之前捕捉到它们，就成了实验设计的关键。

科学家想到了一种方法：利用切伦科夫辐射（Cherenkov radiation）。这种辐射有些类似于超音速飞机突破音障时产生的马赫锥。

飞机的速度比空气中的声速还快时，声波就会被飞机“抗”着走，在飞机身后形成一个锥形的声波阵面。

类似地，当带电粒子在介质中的速度超过光在该介质中的速度时，会把介质中的电磁场“拽”着走，从而在粒子身后形成一个锥形的光波阵面，这就是切伦科夫辐射。

爱达荷国家实验室ATR核心发出的切伦科夫辐射（图片来源：Wikipedia）

当我们检测到这种辐射时，就能反推出带电粒子的运动方向，而带电粒子是由高速中微子撞击产生的，因此其运动方向也就指示了中微子飞来的方向。完美闭环。

但是物理老师好像教过，光速是世界上最快的速度，怎么可能被超过？

妙就妙在这里有个限定词是“在介质中的光速”。光在真空中的速度确实无法超越，但在水或冰这样的介质中，光速会显著降低。这样一来，带电粒子的速度就有可能超过介质中的光速，从而产生切伦科夫辐射。

也就是说，只要把实验搬到水或冰等介质里，就可以通过切伦科夫辐射捕捉到高能中微子了。

然而，中微子本身非常非常非常小，它穿过水中时，与原子核发生作用的概率极低。想要中微子“砸”中一颗原子核的概率，课代表都不知道该怎么比拟了。只能做个不恰当的想象，可能就是在太阳系里随机扔一粒米，结果还恰好砸到了太阳系中的另一粒米的感觉。

为了获得更多中微子与物质发生相互作用的事件、积累足够多的信号，物理学家需要体积足够庞大的探测介质。于是，他们很自然地把目光投向了海洋：把探测器布设在海底，直接利用巨量海水作为探测介质。如今，地中海等地就建有相关的中微子实验。

位于地中海深处的立方千米中微子望远镜（KM3NeT）

封在极冰内的“秘密基地”

可能有看官已经不耐烦了，讲了这么久，哈尔岑怎么还没出场呀？别急，英雄出场就是要在最关键的时刻。

水虽然能检测，而且海洋的水可以说是量大管饱，但也有一些显而易见的缺点：海洋有洋流的运动影响，可能存在放射性背景，甚至还有会发光的鱼！

哈尔岑想到了一种介质：南极的冰。

说实话，科学家不是没想过用冰。冰有几个非常诱人的优点：它安静、透明、没有生物干扰，而且一旦形成，就几乎不会流动。南极的冰层深埋地下，隔绝了地表的各种干扰，让科学家可以专心地“听天”。

问题在于，当时人们在实验室中测量冰的透明度时，发现冰中气泡和杂质会严重散射光线，导致切伦科夫辐射信号衰减得厉害。

况且，这么大尺度的冰只有南极才有，在南极建这么大的工程，即便克服困难能完工，也肯定不好维护，科学家们一度认为，用冰来当中微子探测器只是纸上谈兵。

我们在使用制冰机时就可以明显看出，水结冰会包裹空气，所以冰块并不是完全透明的（图片来源：Total Food Service）

可是哈尔岑坚持认为，冰一定行。其实也不能怪其他物理学家不看好这个方案，就连哈尔岑自己后来也亲口承认：“假如我不是对天然冰的光学性质一无所知，我也会反对这个方案。”

但哈尔岑最过人的地方，不是他对真理有一种天然的直觉，而是他能坚持自己的方案，哪怕在所有人都不看好的情况下，依然愿意投入时间和精力去验证一个看似荒谬的想法。

冰立方探测中微子的原理示意图（图片来源：诺贝尔奖官网）

1988年前后，哈尔岑与他的合作者一起从理论上研究在南极冰中检测中微子的可行性。他们通过理论计算，最终确定了一个合理的观测站建立计划。

1990年，团队首先在格陵兰冰层进行了验证实验；1993年，他们正式开始在南极建设南极缪子和中微子探测器阵列（Antarctic Muon And Neutrino Detector Array，简称AMANDA），这也是后来冰立方的前身。

最初，团队钻到了冰面下几百米，发现冰里有大量的气泡，散射十分严重，根本不具备检测切伦科夫辐射的条件。

但哈尔岑没有就此放弃，他带着团队继续往深处钻探。结果发现在钻探到1500米以下时，空气泡在巨大的压力下转化成了水合物，散射效应大大减弱，冰层变得清澈透明，几乎达到了实验室中理想探测介质的要求。

研究团队在南极冰层中钻出深孔，将光学探测器送入冰层深处（图片来源：NSF）

冰立方中微子天文台（图片来源：冰立方合作组）

冰立方天文台logo

冰立方钻孔工作的动画示意图

成就与结语

从建成到目前，冰立方把中微子从宇宙线理论里的副产品，变成定位活动星系核、辨认厚遮蔽源、测绘银河宇宙线、检验标准模型的实测探针。

例如，2017年9月22日，冰立方中微子观测站探测到一个能量约290太电子伏的缪子中微子，其来源方向在一个正处在“爆发”状态的耀变体。中微子被探测到后不到一分钟，全球即收到警报，促使多波段望远镜开展后续追踪观测。

又例如， 2022年冰立方在星系NGC 1068方向发现了多个的高能中微子。这个星系早已被知道拥有一个被厚重气体和尘埃遮蔽的活动星系核，而中微子几乎不受这些物质阻挡，因此提供了传统电磁观测难以获得的信息。

冰立方中微子天文台及一次粒子事件的可视化示意图。冰下的竖线代表探测器阵列，彩色光点表示不同数字光学模块（DOM）记录到的切伦科夫光信号；颜色反映信号到达的先后时间。（图片来源：冰立方合作组）

类似的成果数不胜数，有些已经在挑战目前我们对宇宙的理解，因此我们才说，冰立方对宇宙学的发展，具有里程碑式的意义。

只要你有在冰箱里冻过冰块的经历就会知道，水在结冰时会把空气泡包裹在里面，导致冰变得不透明。

因此，虽然有很多人在哈尔岑之前就尝试过用冰代替水，但都没有能够坚持下去，认为冰中气泡无法克服。

现在想来，这就是哈尔岑说的“对自然冰的光学性质一无所知”吧。可是谁曾想，坚持一条道走到黑的哈尔岑，恰恰在更深的冰层里找到了纯净而透明的大片冰，这可能就是上天对执着的实干家独有的馈赠。

科学，有时候就是这样，它并不偏爱聪明人，却往往眷顾那些敢于在无人处多走一步的执拗者。

作者：牧心