用南极冰层捕捉幽灵粒子 哈尔岑为天文学研究开启新时代

2026年诺贝尔物理奖颁给生于比利时、现居美国任教的82岁学者哈尔岑（Francis Halzen 另翻译：哈尔森），他开创了利用南极天然冰层侦测法，追踪到来自遥远宇宙、质量超小且难以捕捉的罕见粒子「微中子」，为天文学研究开启新时代。诺贝尔奖委员会10月6日记者会与哈尔岑联机，他强调自己非常幸运，「当初我们启动这个计划时，人人觉得或许是个好主意，但包括我自己在内很少有人认为会成功」。

综合美联社、路透社、科学网站Science.org报导，诺奖委员会今揭晓本届物理奖得主之后，人在意大利的哈尔岑透过电话向委员会表达感想，惊喜不已。他说，先前有人预测诺贝尔奖会颁给他，但他得知获奖刹那仍备感「奇妙」：「我正在拟一份研究提案，希望这座奖能帮助我的案子获得通过。」现场人士闻言不禁笑出声来。他还表示：「回想起来，最不可思议的是，我们这计划竟然真的获得了资助。」

为探索遥远宇宙指路

哈尔岑1988年首次提出在南极捕捉微中子的想法，后来渐渐说服他人加入。南极微中子天文台2005年起造，最终到2010年完成。这座天文台已确定高能微中子来源不仅是银河系内部，也来自银河系以外的宇宙。这开启了寻找产生微中子天体与过程的星际探索之旅。瑞典皇家科学院指出，南极冰立方天文台收集到的微中子相互作用数据，为高能微中子如何产生提供了信息，甚至可能揭开先前未知的现象。哈尔岑为冰立方天文台的建造发挥至关重要的作用。

建于南极地表下方2.5公里深处原始冰层之中、体积1立方公里的「冰立方微中子天文台」（IceCube Neutrino Observatory），安装逾5000个感测器，耗资2.8亿美元兴建，致力于侦测难以捉模的微中子，盼借由其运行方向找到爆炸恒星、伽玛射线、黑洞与中子星灾难现象的精确源头，估计每天可侦测到大约1颗微中子。天文台由美国国家科学基金会赞助，由哈尔岑任教的美国威斯康辛大学麦迪逊分校营运。

「幽灵粒子」难捉摸

微中子是质量极小的宇宙微小粒子却无所不在，从太阳等恒星喷射而出，每秒几兆颗微中子穿透地球上的人体，有「幽灵粒子」（ghost particle）之称，其中大多来自太阳等相对靠近地球天体的低能量微中子。南极冰立方要捕捉的是来自太阳系以外的高能量微中子（high-energy neutrino），这是已知最难捕捉的宇宙粒子之一。

遥远的恒星爆炸与黑洞之类的天体引擎会把「宇宙射线」带电粒子加速到极高能量，宇宙射线产生高能微中子，但宇宙射线抵达地球时会受宇宙磁场影响而弯曲，导致宇宙射线源头难以追踪。然而，宇宙射线产生的微中子是以直线飞行，提供了溯源的好机会。

难捕捉却不会改变方向

微中子穿透地球与人体时几乎不留痕迹，也极少与物质相互作用，不会损失能量或改变方向。这是一种正电荷与负电荷两者总量相同、彼此抵消的电中性粒子，即使在最强的磁场也不会受到干扰。也就是说，微中子与可见光等电磁波不同，始终能藉由传播方向辨其源头。

科学家无法直接观测这么微小又神秘的粒子，只能侦测微中子与其他物质碰撞时产生的现象，例如闪光或带电粒子。哈尔岑想到用冰层观测，就是要捕捉微中子撞击冰层原子荷时产生的闪光，这帮助学界揭开了微中子的神秘面纱。

微中子如「宇宙信差」

如今除了南极，地中海、俄罗斯贝加尔湖水域也有微中子观测站。其他地点已发现来自遥远源头的第一批微中子（超新星1987A），冰立方致力于精确量测微中子的来向以溯源。2013年侦测到28颗来自太阳系外的微中子，其中「伯特」（Bert）、「尔尼」（Ernie）仍是迄今为止测得能量最高的两颗。2018年捕捉到另一颗高能微粒子，并首次确定来源：一个距地球约37光年、喷出一股粒子与能量喷流的超大质量黑洞。2021年捕捉到一颗来自潮汐瓦解事件的微中子，潮汐瓦解是指超大质量黑洞撕裂一颗恒星的过程。直到最近，冰立方才开始捕捉来自银河系的微中子。

瑞典皇家科学院学者奥尔松（Eva Olsson）说，微中子「有如携带宇宙信息的信差，打开通往遥远星系的大门，告诉我们恒星爆炸的过程」。美国物理学会执行长莫罗尼（Michael Moloney）说，这项在南极进行的实验为学界理解宇宙提供了前所未有的革命级方式。比利时总理德威弗（Bart De Wever）透过社群平台向哈尔岑道贺，他是第11位获诺奖的比利时人。

美国史密森尼学会杂志《史密森尼》（Smithsonian）2014年颁授创新奖给哈尔岑、称他为「微中子之父」，赞扬他「令人惊叹的实验预告天文学新时代到来」，并以一幅「物理学家探索宇宙的旅程如何于南极洲展开」的漫画勾勒其生平。如今摘得诺奖桂冠，哈尔岑说，他的发现主要成果尚未完全显现，此刻断言经由他开创的方式究竟能了解宇宙哪些奥秘，为时尚早：「真正令人兴奋的是，我现在还无法回答这个问题。这只是科学的引子，天文学的探索还在后头呢。」

南极气温低于摄氏零下50度，飞机难以降落，天文台由一支精简团队长期驻守，但最多可容纳150人。扩建工程「冰立方二代」规划2033年使用，范围包含8立方公里冰层，届时侦测到的微中子会是现有计划的10倍，包括强度较弱的微中子。