在堅冰下捕捉宇宙“幽靈粒子”
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利用南極冰川捕捉一種神秘的粒子——中微子(藝術圖)。
10月6日,瑞典皇家科學院宣布,2026年諾貝爾物理學獎授予比利時科學家弗朗西斯·哈爾岑(Francis Halzen),以表彰他對冰立方中微子天文台的決定性貢獻,以及對天體物理起源的高能中微子的發現。
哈爾岑以非凡的想象力、堅韌不拔的精神,以及科學方面的遠見卓識,為一種全新的天文學奠定了基石。他提出利用南極冰川捕捉一種神秘的粒子——中微子。這一構想最終催生了冰立方中微子天文台,使人類得以追蹤來自遙遠宇宙深處的中微子,窺探那些肉眼無法觸及的宇宙奧秘。
早在20世紀80年代,哈爾岑便意識到,南極的冰層或許是捕捉足夠多宇宙中微子的理想介質。他很快說服了眾多同行,1992年,一群堅韌的研究者與工程師首次嘗試將光傳感器植入南極冰川。約20年后,曙光初現:冰立方中微子天文台記錄到高能中微子事件,其特征指向遙遠宇宙。尋找宇宙中微子起源的工作,由此正式拉開序幕。
尋找中微子的契機,源於他對另一種粒子——宇宙射線的觀測。宇宙中不斷有高能粒子穿過,它們多為質子,即氫原子核。這些來自太空的質子有時攜帶著驚人能量,遠超地球上任何人造粒子加速器所能達到的極限。物理學告訴我們,能將質子加速至高能的過程,必然同時產生高能中微子。因此,中微子成為破解“宇宙粒子加速器”之謎的關鍵鑰匙。
20世紀80年代,哈爾岑意識到,在冰川中安裝光傳感器,可捕捉碰撞產生的微弱閃光。他聯系了參與夏威夷深海中微子探測項目的同事約翰·G·勒納德。兩人共同探討在南極冰層中捕捉中微子的機遇與挑戰。
短短數年內,來自不同機構的研究者紛紛匯聚於哈爾岑周圍,共同推動南極中微子天文台夢想的實現。科學家首先在格陵蘭冰層中測試傳感器,驗証其能否記錄粒子產生的光信號。隨后,他們開始在南極建造首個中微子天文台——冰立方的前身,即高能中微子探測器陣列。
然而現有裝置不足以完成探測高能宇宙中微子的使命,研究需要更大的探測體積。於是,冰立方應運而生:一立方公裡的冰體,配備5160個光傳感器,分布於86條纜線上。2010年9月,探測器全部布設完成、投入運行﹔2011年宣告項目正式完工。
為找到被稱為“幽靈粒子”的宇宙中微子,科學家必須篩選出冰中發生相互作用的中微子事件。即便無法完全確定單個中微子的宇宙起源,他們仍可分析所有候選事件的整體特征,判斷其是否符合宇宙中微子的預期,並與大氣中微子區分開來。2013年,團隊報告了首個支持“已發現宇宙中微子”的証據。數年后,隨著數據積累,這一發現得到確証。
近年來,冰立方團隊還首次觀測到來自銀河系內部的高能中微子。科學家推測,這些中微子產生於宇宙射線與恆星間稀薄氣體原子碰撞之時。
中微子,這一宇宙信使,正帶領我們走向一個更深遠、更神秘的天文學新時代。
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