10 月 6 日，瑞典皇家科学院宣布，将今年的诺贝尔物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），表彰他对 IceCube 中微子天文台的决定性贡献，以及发现来自天体物理源的高能中微子。哈尔岑将独享 1200 万瑞典克朗奖金。
哈尔岑 1944 年出生于比利时蒂嫩，目前任教于美国威斯康星大学麦迪逊分校。从 1988 年第一次公开提出在南极冰层里寻找中微子，到 IceCube 建成，再到团队确认来自宇宙深处的高能中微子，他在这件事上已经做了近 40 年。
IceCube 看起来并不像通常意义上的望远镜。它没有镜片，也没有被送上太空。它的主体是南极点地下约 1450 米至 2450 米的一整块冰，5160 个光学传感器分布在 86 条缆线上，探测范围覆盖约 1 立方公里。它要看的也不是光，而是宇宙里最难被捕捉的一类粒子：中微子。
▍中微子用来寻找宇宙源头
哈尔岑最初想追踪的，是宇宙里那些天然的粒子加速器。地球一直在接收来自太空的宇宙射线，其中很大一部分是质子。一些宇宙射线携带的能量，远远超过人类粒子加速器能够达到的水平。这意味着宇宙里的某些天体和极端环境，正在把粒子加速到非常高的能量。
但科学家很难沿着这些粒子找到源头。质子带有电荷，在穿过宇宙磁场时会不断改变方向。等它抵达地球时，原来的运动轨迹已经被打乱，即使知道它从哪个方向飞来，也很难顺着这条路线找到最初的天体。
中微子没有这个问题。它不带电，经过磁场时基本不会改变方向，与物质发生相互作用的概率也很低。能够产生极高能宇宙射线的环境，同样可能产生高能中微子。如果能够判断一个高能中微子的来向，就有机会沿着它的轨迹寻找源头。
麻烦也出在这里。因为很少和物质发生作用，中微子很难被探测。大量中微子可以直接穿过人体，甚至穿过整个地球，不留下明显痕迹。真正会和探测器发生碰撞的，只占非常小的一部分。要等到足够多的事件，探测器本身首先要足够大。
上世纪 60 年代前后，已经有物理学家提出用大体积的水寻找中微子。当中微子偶尔与原子核发生作用时，会产生高速带电粒子，这些粒子在水里运动会发出微弱的蓝光。只要把足够多的光学传感器布置在周围，就能根据这些光出现的时间和位置，反推出粒子的方向和能量。
哈尔岑后来把目光放到了南极。冰同样是透明介质，而且南极本身就有一块规模足够大的天然冰层。
▍5160 个传感器埋进南极
1988 年，哈尔岑与约翰·G·勒恩德（John G. Learned）第一次公开介绍了在南极冰层里探测中微子的方案。这里已经有科考站和基本后勤条件。足够深的冰层常年处于黑暗中，没有海洋生物发光带来的干扰，放射性背景也比较低。和海水相比，固态冰层还能把传感器长期固定在同一个位置。
真正开始做以后，首先碰到的是一个很实际的问题：怎么把设备放到地下超过 1 公里的位置。研究人员最后使用热水钻，把高温高压的水打进冰层，一路融出深孔，再把串着光学传感器的长缆放进去。周围的水重新结冰以后，这些设备也就被固定在冰层内部。
哈尔岑曾把这些传感器形容成“反过来的灯泡”。灯泡把电变成光，它们则负责接收光，再把光转换成电信号。
IceCube 的前身 AMANDA 先验证了这套方案。一开始结果并不好。浅层冰里有大量气泡，粒子产生的光在里面不断发生散射，传感器虽然能够看到光，却很难准确判断它最初从哪里来。
继续往下钻以后，情况发生了变化。研究人员发现，超过约 1400 米以后，南极冰层要纯净得多，光在其中能够传播数百米。此前最担心的问题反而解决了。AMANDA 证明了在冰层里探测中微子可行，但它仍然太小。真正来自宇宙深处的高能中微子非常稀少，要把它们从大量背景信号里找出来，需要把探测体积继续放大。
接下来，团队开始建设 IceCube。最终，86 条缆线被放进地下约 1450 米至 2450 米的冰层，安装了 5160 个数字光学模块，覆盖约 1 立方公里。2010 年底，IceCube 完成建设，随后进入完整运行。从最初提出想法到把一整块南极冰层变成探测器，已经过去二十多年。
▍从 1 亿个信号里找中微子
IceCube 建好以后，问题从“能不能看到中微子”，变成了“看到的中微子到底从哪里来”。传感器每天记录下来的绝大多数信号，都不是哈尔岑最想找的东西。
宇宙射线撞击地球大气层以后，会产生大量次级粒子，其中一些能够一路进入地下。IceCube 每天记录到超过 1 亿个这类粒子事件。宇宙射线和大气相互作用时，本身也会产生中微子，每天还有数百个从北半球方向穿过地球，再抵达南极的探测器。
真正来自遥远宇宙的高能中微子，就混在这些背景信号里。研究人员开始从能量、运动方向和相互作用位置等信息里筛选异常事件。高能量尤其重要：来自放射性物质、太阳以及大气过程的中微子通常集中在更低能区间，当能量继续升高，来自遥远天体环境的可能性也随之增加。
突破出现在 2013 年。IceCube 团队分析 2010 年 5 月至 2012 年 5 月的数据，筛出了 28 个能量极高的中微子候选事件。这组事件的数量和能量已经很难完全用大气中自然产生的中微子解释。
当年，团队正式报告了第一批支持天体物理高能中微子存在的证据。随后几年，数据继续增加，研究人员进一步确认了这一结果。这之后，IceCube 开始做另一件事：把高能中微子和具体天体对应起来。
其中一个重要目标是距离地球约 4700 万光年的活动星系 NGC 1068，也叫 M77。它的中心存在一个活跃的超大质量黑洞，周围是一个能够把物质加速到极高能量的环境。IceCube 此后从这个方向发现了持续的高能中微子信号。
2023 年，团队又利用超过 10 年积累的数据，第一次用高能中微子绘制出了银河系平面的图像。在这之前，中微子已经被用于研究太阳和超新星。2002 年诺贝尔物理学奖授予了雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr.）和小柴昌俊等人在宇宙中微子探测上的工作；2015 年的物理学奖则与中微子振荡有关。
IceCube 把观测范围继续推到了更高能量。过去那些可以直接穿过地球、很难留下任何痕迹的粒子，开始能够被持续记录。
▍38 年后，IceCube 仍在扩建
哈尔岑获得诺奖时，IceCube 仍在运行。今年 2 月，IceCube 完成了建成以来第一次大规模地下扩展。团队在原有 86 条缆线之间新增了 5 条更加密集的探测缆线，部署超过 600 个新型光学传感器和校准设备。新一代传感器的灵敏度达到原有设备的约 2 至 3 倍。
这批新设备还有另一个用途：重新测量南极深层冰的光学性质。IceCube 判断中微子的能量和来向，需要根据光在冰层里的传播情况反推粒子轨迹。冰层本身的透明度、杂质和光散射特征都会影响最终结果。新的校准设备投入使用后，团队也可以重新处理过去约 15 年积累下来的数据。
规模更大的 IceCube-Gen2 仍在规划中。如果最终建成，它计划把仪器覆盖的冰层体积扩大到现有 IceCube 的约 8 倍。从 1988 年第一次公开提出方案，到 2026 年获得诺贝尔物理学奖，哈尔岑围绕南极冰层里的中微子探测已经工作了 38 年。
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