Jay 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI

刚刚，诺贝尔物理学奖公布。

这一次没有任何并列，得主只有一个人，来自美国威斯康星大学麦迪逊分校的Francis Halzen（弗朗西斯·哈尔岑）。

如果你不知道这个大学，你应该也会知道它有个知名的中国科技互联网领域的校友——

拼多多创始人，黄峥。

image.png

所以，Francis究竟为何获奖？

官方是这么说的：

表彰他对南极冰立方中微子天文台（IceCube）的决定性贡献，以及对天体物理起源高能中微子的发现。

具体而言就是，他把南极地下2000多米深处的1立方公里纯净冰层，硬生生改造成一台捕捉宇宙幽灵粒子的超级望远镜。。。

如今，南极洲甚至有一座高地，就是以他名字命名的，叫做Halzen Mesa。

为什么要在南极深冰里抓“幽灵”？

宇宙里一直有个困扰物理学界百年的终极谜题：那些能量高到离谱的宇宙射线，到底是从哪儿发射出来的？

宇宙中存在天然的粒子加速器，喷射出的质子能量比地球实验室里最强加速器还要高出上百万倍。但质子带电荷，在宇宙里飞奔时会被星际磁场扭得七荤八素，等落到地球，根本没人能分清它来自哪个方向。

怎么才能找到真正的源头？

物理学家把目光投向了中微子。

中微子是宇宙中最害羞的粒子，不带电、质量微乎其微。每秒钟都有650亿个来自太阳的中微子穿过你的大拇指指甲盖，你却完全感觉不到。

高能质子加速的地方往往会伴生高能中微子。中微子不带电，不受磁场干扰，也不会被星际尘埃阻挡，就像一根笔直的标靶，直接指向宇宙深处的发源地。

但怎么抓它呢？

中微子偶尔会跟原子核撞上，产生带电粒子并发出极其微弱的蓝光。只要介质足够透明、体积足够大，就能用光敏传感器把它的轨迹记录下来。

深海虽然透明，但里面有活蹦乱跳的生物发光，还有洋流干扰。Halzen在1980年代提出了一个大胆的想法：去南极，用天然冰层！

An illustration of a high-energy neutrino passing through ice.

用热水融出2.5公里深井，造出1立方公里冰下巨眼

在冰天雪地的南极抓粒子，听起来像天方夜谭。

南极深处的冰层完全处于黑暗之中，没有海洋生物捣乱，地质结构极其稳定，没有地震干扰。唯一让人头大的问题是：在两千多米厚的冰川里，怎么把传感器塞进去？

研究团队想出了一个极其硬核的办法——用特制的高温热水钻头，把南极冰层融出一条条深达两千多米的深孔，然后把挂满光敏传感器的电缆迅速沉入冰水里。

Halzen把这些传感器形容为反向灯泡：它们不负责发光，只负责捕捉微弱的光信号并转化为电信号。

早期的先导实验AMANDA刚启动时，大家心里都在打鼓。浅层冰里全是微小气泡，光线一打进去就被散射得七零八落。

但当钻头下潜到1400米以下时，神了——高压把气泡全部压碎挤出，下面的冰层纯净透明到令人惊叹。中微子碰撞产生的蓝光，在冰里甚至能传播300米远才被吸收！

验证可行后，IceCube正式开工。

到2011年完工时，整个IceCube已经深埋在南极冰下1450到2450米之间，由86根电缆、5160个光学传感器组成，把整整1立方公里的天然冰川变成了一台史无前例的中微子望远镜。

Illustration: An observatory in the ice

捕获宇宙幽灵，开启天文学全新大门

有了这台巨型望远镜，寻找来自深空的信号依然像大海捞针。

每天有超过上亿个来自南极上方大气的宇宙射线粒子穿过探测器，还有数百个来自地球另一端大气的中微子穿透地壳而来。

要在海量背景噪音里筛选出真正来自遥远宇宙的高能中微子，数据处理难度太恐怖了。

2013年，IceCube团队终于宣布，首次明确捕捉到了来自太阳系以外的高能宇宙中微子。这项突破直接拿下了当年的《Physics World》年度突破大奖。

随后几年里，关键证据接连出现：

科学家在活跃星系NGC 1068（M77）方向记录到了79个中微子候选信号，锁定了潜在的极端天体源头。

2023年，IceCube团队首次绘制出了银河系平面的高能中微子图像，让人类第一次透过中微子这双眼睛看到了银河系的全貌。

Illustration: Messengers from space

天文学在经历可见光、射电、X射线、引力波之后，高能中微子天文学的大门被彻底推开了。

诺奖得主其人：从强子物理到冰下造望远镜

这位单人独揽诺贝尔物理学奖的物理学家Francis Halzen，今年82岁。

image.png

他1944年出生于比利时蒂嫩，1969年在比利时鲁汶大学（KU Leuven）获得博士学位，早年主要研究夸克构成的重粒子和强子物理中的对称性破缺。

完成博士后研究后，他前往美国威斯康星大学麦迪逊分校，并从1972年起长期在此任教，担任物理系教授。

他与他人合著的经典教材《Quarks and Leptons》，陪伴了全球几代粒子物理学子的成长。