2026年諾貝爾物理學獎頒給埋在南極冰下2公里的望遠鏡冰立方

宇宙中最強大的粒子加速器並不在地球上，而且數十年來，沒有人能說出它們究竟在哪裡。出生於比利時的法蘭西斯・哈爾岑（Francis Halzen）在南極點下方一立方公里的冰層中尋找它們；那裡布設了數千個光學感測器，捕捉物理學中最難捉摸的粒子。瑞典皇家科學院如今將諾貝爾物理學獎頒給他，表彰這座探測器及其發現，而他無須與任何人共享獎項。

這座探測器名為 IceCube，它捕捉到首批已知來自太陽系遙遠之外的高能微中子。微中子不帶電荷，質量也幾乎為零；來自太陽的大約650億個微中子，每秒都會穿過你的小指甲，卻不會碰到任何一個原子。由於它們沿直線飛行，並能穿透塵埃、氣體與磁場，罕見的宇宙微中子便能指向其誕生的劇烈場所。這使它們成為一種新型望遠鏡，得以窺探連光也無法逃離的區域。

威斯康辛大學麥迪遜分校的比利時裔物理學家哈爾岑，獲獎理由是「對 IceCube 微中子天文台作出決定性貢獻，並發現具有天體物理起源的高能微中子」。他是34年來首位獨得物理學獎的人，並將獲得全部1,200萬瑞典克朗獎金。諾貝爾物理學委員會主席馬克・皮爾斯（Mark Pearce）表示：「法蘭西斯・哈爾岑帶領一支由研究人員與工程師組成的國際團隊，為我們提供了一項卓越的儀器。他的堅持與科學遠見，為一種新型天文學鋪平了道路。」

為何要靠一座冰川尋找宇宙加速器

宇宙中穿行著宇宙射線，當中大多是裸露的質子，其中一些抵達地球時的能量，比地球上任何實驗室所能達到的水平高出多達一百萬倍。宇宙中某些東西正在加速它們，或許是爆炸中的恆星，或是超大質量黑洞噴出的噴流。質子無法揭露元凶，因為磁場會在它們飛抵地球途中彎曲其路徑，因此等它們撞入我們的大氣層時，來向已毫無意義。

加速質子的同一類過程，也應會產生微中子，而磁場不會令微中子偏轉。問題在於，微中子幾乎從不與任何物質發生交互作用。極少數情況下，當一個微中子撞上原子核時，會產生一個帶電粒子，該粒子在物質中疾馳，並發出微弱藍光。在透明介質中，感測器可以記錄這道閃光，重建微中子的來向。宇宙微中子如此罕見，以致需要一個極其龐大的透明體積，才能捕捉到哪怕少數幾個。

哈爾岑的構想是，南極冰蓋本身就是那樣的體積。在極深處，那裡終年黑暗，沒有會干擾海洋探測器的生物，放射性程度低，且地質穩定、沒有地震。

他們如何做到

這項計畫聽來幾乎不可行。團隊必須以一種如同精密蓮蓬頭般運作的熱水鑽，融出超過一公里深的孔洞，接著在水重新凍結前，將串接光學感測器的纜線放入其中。哈爾岑形容每一個感測器都是反向運作的燈泡：它接收光線，再將光轉化為電訊號。所有建設工作都必須在11月至2月之間短暫的南極夏季完成。

第一次嘗試是一個名為 AMANDA 的較小型陣列，幾乎讓整個構想夭折。在首批感測器置入的深度，冰中充滿微小氣泡，令光向四面八方散射，一道閃光在半公尺內便失去了方向。再往深處，情況則完全改變。在約1,400公尺以下，冰層清澈得驚人，微中子碰撞產生的光能傳播300公尺，遠超出任何人的預期。

IceCube 將這項經驗放大實現。它的86條纜線垂掛於地表下1,450至2,450公尺之間，彼此相距125公尺；每條纜線裝有60個感測器，感測器間距17公尺，總計5,160個感測器。這一立方公里裝設儀器的冰層重約10億噸。該天文台由美國國家科學基金會管理，並由來自14個國家、58個機構、約450人組成的合作團隊運作。

證明一切的閃光

IceCube 所見的大部分都是雜訊。每天有超過1億個由南極上空宇宙射線產生的緲子抵達感測器，另有數百個在地球另一側大氣層中形成的微中子，穿越整個地球後到達。為了分離出宇宙訊號，團隊將探測器外層視為否決屏蔽，只保留在核心內部、遠離邊緣處才被觸發的微中子。

頭兩個具說服力的事件，是在搜尋能量更高粒子的過程中意外發現的。每一個事件沉積的能量約為一拍電子伏特，也就是一千兆兆電子伏特，超過大型強子對撞機賦予每個質子能量的一百倍。這兩個事件帶領團隊在同兩年的資料中找到28個高能微中子；其後更大的樣本以5.7西格瑪的統計信心排除了大氣起源，超過物理學家宣稱發現所採用的5西格瑪門檻。

與早期微中子天文學相比，這是巨大的躍進。為雷蒙・戴維斯二世（Raymond Davis Jr.）與小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）贏得物理學獎的微中子，來自太陽以及16萬光年外的一次超新星爆發，其能量大約低10億倍。迄今 IceCube 偵測到能量最高的微中子，估計攜帶11.4拍電子伏特能量。

這座獎項尚未解決的問題

IceCube 證明了穩定的宇宙微中子通量確實存在，但尚未顯示其中大多數來自何處。最有力的候選來源仍只是候選來源。一個微中子來自名為 TXS 0506+056 的耀變體爆發方向；那是一個黑洞將噴流朝向地球射出的星系，而在較早資料中的搜尋，發現同一位置曾出現一次較早的爆發，顯著性為3.5西格瑪，遠未達到宣告發現的強度。

迄今最強的單一來源是活躍星系 NGC 1068，亦稱 M77，位於鯨魚座、距離4600萬光年。IceCube 從其方向計得79個微中子，顯著性為4.2西格瑪。諾貝爾委員會自己的背景資料指出，現有證據尚不夠穩固，不能將 NGC 1068 稱為已確認的來源。

還有功勞歸屬的問題。IceCube 是數百名科學家與工程師的成果，而物理學獎只能頒給個人。委員會特別指出哈爾岑，認定他是提出概念、完成設計，並以首席研究員身分帶領計畫歷經建造與運作的人。

關於2026年諾貝爾物理學獎的常見問題

誰贏得2026年諾貝爾物理學獎？

威斯康辛大學麥迪遜分校的法蘭西斯・哈爾岑獨自獲獎，表彰他在建造 IceCube 微中子天文台中的決定性角色，以及發現來自太空的高能微中子。他出生於比利時蒂嫩，並獲得全額1,200萬瑞典克朗獎金。

什麼是微中子？

微中子是一種不帶電荷、質量幾乎為零的次原子粒子。它與物質的交互作用極其微弱，每秒有數十億個穿過你的身體，卻不會被察覺。

IceCube 如何探測微中子？

當微中子撞擊冰中的原子核時，會產生一個帶電粒子；該粒子在移動時會發出微弱藍光。埋藏於1,450至2,450公尺深處的5,000多個感測器會記錄這道閃光，而光線的分布模式可揭示粒子的能量與方向。

為何要在南極點建造微中子望遠鏡？

南極深層冰層極為清澈，終年黑暗，沒有生物，且地質穩定。既有的阿蒙森－史考特南極站也提供了鑽孔、建造一座橫跨一公里探測器所需的後勤、電力與人員。

宇宙微中子來自哪裡？

目前仍沒有人確知答案。IceCube 已觀測到來自我們銀河系盤面的微中子，並指出活躍星系 NGC 1068 和耀變體 TXS 0506+056 可能是來源，但這些來源都無法解釋大多數通量。

事件發生的時間，以及下一步

哈爾岑與同事約翰・G・勒恩德（John G. Learned）於1988年首次在波蘭的一場會議上提出南極點概念。哈爾岑記得，1993年平安夜時，他把電腦放在膝上等待消息，盼望得知第一條 AMANDA 纜線已置入冰中。美國國家科學基金會於2002年批准 IceCube 的經費，探測器於2011年完成，宇宙微中子的首項證據則於2013年發表。來自銀河系的高能微中子則在2023年接續而來。

後繼設施已開始成形：地中海的 KM3NeT、貝加爾湖的 Baikal-GVD、溫哥華島外海的 P-ONE，以及南中國海的 TRIDENT。在南極點，IceCube-Gen2 的規劃已經展開，將涵蓋約八立方公里的冰層。哈爾岑將於12月10日在斯德哥爾摩領取獎牌。

參考資料：IceCube Collaboration，〈Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector〉，《Science》，2013年。DOI: 10.1126/science.1242856

標籤: 天文學, 諾貝爾獎, IceCube, Francis Halzen, 南極, 微中子