日本唯一的冰立方团队共享全球成就
威斯康星大学麦迪逊分校82岁的弗朗西斯·哈尔岑因冰立方中微子天文台及其发现来自遥远宇宙源的高能粒子，荣获2026年诺贝尔物理学奖。10月6日公布的获奖消息也肯定了一项科学研究事业，千叶大学作为合作组织中唯一的日本机构，自2002年以来一直为其作出贡献。
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瑞典皇家科学院在诺贝尔奖公告中表示，哈尔岑获奖是因为他“为冰立方中微子天文台作出决定性贡献，并发现了天体物理起源的高能中微子”。奖金为1200万瑞典克朗。
千叶大学的贡献涵盖从识别首批宇宙中微子信号，到建造如今埋设在南极点冰层下的仪器。该校研究人员帮助将一个中微子信号与遥远星系联系起来，参与首次探测一种罕见的反中微子相互作用，并制造了冰立方最新升级项目安装的600多个光学探测器中的约40%。
10月6日，千叶大学国际强子天体物理中心主任、60岁的吉田茂教授和52岁的石原绫教授在千叶市西千叶校区举行的新闻发布会上对获奖表示欢迎。石原从名古屋在线参加了发布会。
诺贝尔奖将奖项授予哈尔岑个人。不过，天文台的成就属于一项国际合作事业，涉及14个国家、58家机构的约450名科学家。千叶大学的角色表明，一个规模不大的研究团队如何在观测结果解读和新一代设备设计方面都发挥了核心作用。
从1988年的构想到立方千米天文台
1988年，哈尔岑首次提出利用南极点冰层探测中微子的构想。他1944年出生于比利时蒂嫩，1969年获得鲁汶天主教大学博士学位，后来成为威斯康星大学麦迪逊分校教授。他的方案不是建造传统的实验室容器，而是把巨量天然冰层改造成粒子探测器。
建成后的天文台利用阿蒙森—斯科特南极站下方一立方千米的冰层进行探测。其原始阵列包含5160个光学模块，分布在86条缆线上，每条缆线安装60个模块。
建设于2004年启动。不同资料对完工时间的记载并不一致：千叶大学的项目历史将建设结束时间列为2010年12月，而诺贝尔奖公告称冰立方于2011年建成。全部86条探测器串于2011年开始全面运行，这一区别说明，安装结束与完整阵列开始观测并非同一时间。
原始建设费用据报为2.71亿美元，其中大部分资金由美国国家科学基金会提供。美国国家科学基金会在其获奖声明中表示，20多年来一直为冰立方的设计、建设和运行投入资金。美国南极计划为这一偏远站点的建设提供了支持。
诺贝尔物理学奖委员会主席马克·皮尔斯称赞哈尔岑带领团队将构想变成了实际运行的天文台。
弗朗西斯·哈尔岑带领一支国际研究人员和工程师团队，为我们提供了一台出色的仪器。他的坚韧和科学远见为一种新型天文学铺平了道路。
冰立方如何探测通常穿过地球的粒子
中微子不带电荷，与物质发生相互作用的概率极低。大多数中微子穿过地球时不会留下可探测的痕迹。这使它们难以观测，却也让它们成为有用的信使：磁场不会像改变带电宇宙粒子路径那样使中微子偏转。
探测器不会直接拍摄中微子。当中微子偶尔与原子核或电子发生相互作用时，会产生带电粒子。这些粒子可能发出切伦科夫光，这是一种微弱辐射，由带电粒子在某种介质中的运动速度超过光在该介质中的速度时产生。
冰立方的光学传感器会记录这种光的到达时间和亮度。研究人员利用这些测量数据估算入射粒子的能量和方向。巨大的探测体积弥补了中微子相互作用极其罕见的问题。
千叶大学的冰立方项目介绍称，原始模块的埋设深度为1450至2450米。其他资料采用的范围更宽，包括1400至2600米。最新升级项目的钻孔深度达到2600米，这一施工深度不应与原始传感器的安装位置混为一谈。
模块内装有光电倍增管，可将微弱闪光转换成可测量的电信号。总部位于日本滨松市的滨松光子学公司开发了冰立方探测器使用的光电倍增管，使日本企业界也参与其中，与大学研究人员并肩贡献力量。
探测到光只是第一步。在威斯康星冰立方粒子天体物理中心工作并负责协调数据处理和模拟的胡安·卡洛斯·迪亚斯·贝莱斯表示，冰立方每探测到一个中微子，就会探测到超过100万个由宇宙射线产生的μ子。μ子是带电粒子，也会留下明亮轨迹，因此研究人员必须从大量背景信号中识别中微子事件。
迪亚斯·贝莱斯介绍，处理观测数据和生成模拟数据，需通过分布式计算网络使用约1万个CPU核心和1000个图形处理器。美国国家科学基金会也表示，其计算设施帮助研究人员解读冰立方的测量结果。
千叶大学的首批信号与发现时间
千叶大学表示，其团队于2002年冰立方合作组织成立时加入。吉田自20世纪90年代起便认识哈尔岑，但加入项目仍伴随着很大的不确定性。他在该校的获奖回应中回忆，当时许多人怀疑中微子能否成为观测高能宇宙的实用工具。
石原2004年完成博士学位后，于2005年1月加入威斯康星大学团队，并于2006年将研究基地迁至千叶。她回忆，团队人员和经费有限，于是制定了自己的分析策略，力求在规模大得多的合作项目中作出独特贡献。
这套策略帮助团队识别出两个能量极高的事件。千叶大学的详细项目历史记载，这两个事件分别发生于2011年8月和2012年1月，测得能量为1.04 ± 0.16和1.14 ± 0.17拍电子伏特。1拍电子伏特（PeV）等于1000万亿电子伏特，是一种粒子能量单位。
千叶大学于2012年6月在一次国际会议上公布初步发现。相关论文于2013年7月发表在《物理评论快报》上，范围更广的分析则于2013年12月刊登在《科学》杂志上。这一时间顺序解释了为何千叶大学将发现时间称为2012年，而美国国家科学基金会和冰立方的诺贝尔奖公告则将里程碑式的发现归于2013年。
关于这两个早期事件的时间，各方说法不一：一种说法称它们于2013年和2014年被探测到，千叶大学的详细记录则将时间列为2011年和2012年。该校的历史资料对能量的概述也有不同说法，但其中逐个列出的事件数据给出了上述数值和不确定度。
进一步分析又在最初两个事件之外发现了26个事件。千叶大学称，在这28个事件中，预计约有11个属于背景事件；其能量、形态和到达方向支持这些事件源自宇宙，统计置信度超过四个标准差。
千叶大学将这一新能量范围与神冈探测器在1987年观测到的中微子作比较，称能量提高了约1亿倍。美国国家科学基金会则笼统表示，探测到的中微子能量超过此前观测到的中微子的一百万倍。这些比较采用了不同的参照点，不应视为完全相同的测量结果。
追溯中微子，找到遥远星系
发现宇宙中微子，证明了天然粒子加速器能够产生中微子。要确定其源头还需进一步工作：将中微子估算出的到达方向与其他仪器的观测结果结合起来。
日本时间2017年9月22日，冰立方探测到一个名为IC170922A的事件。伽马射线卫星和光学望远镜随后跟进观测，研究人员据此将该事件与TXS 0506+056联系起来。这是一个与超大质量黑洞相关的耀变体。相关发现于2018年公布并发表在《科学》杂志上。
耀变体是一种活动星系核，其强大喷流指向地球。原始报道将2018年的结果描述为该中微子可能来自这一耀变体的证据。千叶大学称这是首次确认中微子源，而美国国家科学基金会则称，2018年的结果为来自另一个星系超大质量黑洞的中微子提供了确凿证据。
这一联系依赖于研究人员所说的多信使天文学，即通过不同信号研究同一宇宙活动，在这里包括中微子和多种电磁辐射。中微子提供了仅靠光无法获得的信息，而望远镜观测帮助研究人员确认了其来向上的天体。
广岛大学专门研究高能宇宙观测的教授深泽泰司称赞千叶大学参与了探测器的研发和组装，以及快速向全球天文台传递中微子信息的系统开发。该警报系统使协调后续观测成为可能。
此后，冰立方报告了来自另一个星系NGC 1068（又称梅西耶77）的中微子辐射证据。美国国家科学基金会称，冰立方于2023年公布银河系中微子观测结果，首次以中微子为基础绘制出银河系图像。实验由此不再局限于探测孤立粒子，而是开始绘制其源头的分布图。
罕见的反中微子相互作用检验粒子物理学
千叶大学还参与了一项于2021年发表在《自然》杂志上的研究成果：首次通过电子反中微子探测到格拉肖共振。反中微子是中微子的反物质对应粒子。
格拉肖共振是一种理论预言的相互作用：电子反中微子与电子碰撞并产生W玻色子，而W玻色子是一种参与弱相互作用的粒子。对这一现象的观测检验了标准模型的预言。标准模型是一套描述已知基本粒子及其相互作用的理论。
这项成果展现了冰立方的两重作用：既能研究产生高能粒子的宇宙环境，也能利用这些粒子检验基本物理学，在人造加速器难以达到的能量范围开展研究。
曾因发现中微子振荡而分享2015年诺贝尔物理学奖的东京大学教授梶田隆章对哈尔岑获奖表示欢迎。梶田称，冰立方是人们期待已久的一步，有助于理解宇宙射线源自何处以及如何加速。
1月安装了600多个新探测器
此次获奖之际，千叶大学在工程方面的贡献迎来重大扩展。该校于2月13日发布的升级项目完成公告称，安装工作已于2026年1月21日结束。
一支由约40名研究人员和工程师组成的特别团队，从2025年11月下旬起工作了约两个半月。他们钻出六个深孔，并在现有探测器的中心区域安装了600多个新的光学模块。
其中约40%是D-Egg探测器，由千叶大学国际强子天体物理中心历经十多年设计和制造。德国和美国团队则提供了另一种探测器设计mDOM。
每个D-Egg都在玻璃外壳内装有两个灵敏的光传感器，朝向相反方向。接收来自上方和下方的光，有助于测量光的方向和强度。其外壳也能放入更窄的钻孔。负责制造工作的石原加入了南极安装团队。
施工进度十分紧张。热水钻探约需60小时才能钻出并成形一个深达2600米的孔。随后，安装人员必须在30小时内将约110个相互连接的探测器下放到位，之后通道便会重新结冰封闭。
该校还表示，千叶制造的五个演示探测器已安装到位，用于冰立方第二代（IceCube-Gen2）的研发准备。日本国内企业、研究生和年轻研究人员参与了探测器的开发和生产，使日本的贡献不再局限于数据分析。
扩大低能中微子的探测范围
升级后的传感器排列得更加密集，能够探测低能中微子产生的微弱光信号。该项目的目标能量范围为吉电子伏特（GeV），同时改进对光在周围冰层中传播方式的测量。更准确地了解冰层特性，应有助于重建中微子的到达方向。
千叶大学称，升级后的有效探测体积相当于约200万吨水，而超级神冈探测器的对应数字约为5万吨。两者体积相差约40倍。但体积并不能单独决定灵敏度或精确度，因为两种仪器的布局和观测方法不同。
更密集的阵列拓展了这座以极高能天文学闻名的设施所覆盖的粒子能量范围。千叶大学将大质量恒星引力坍缩和黑洞形成期间释放的中微子列为潜在研究目标，而不是已经实现的观测成果。
观测时间表的表述后来变得更具体。千叶大学在2月的公告中预计，升级探测器重新冻结后，还需完成通信检查、校准和精确定位，观测可能于2026年夏季前后开始。
不过，冰立方于10月发布的诺贝尔奖公告称，升级项目的首批科学数据预计将于2026年晚些时候取得。公告并未确认全面科学观测已于夏季启动。
拟议中的冰立方第二代将配备光学阵列，其体积是现有天文台的八倍，并增加射电探测设备，以探测能量更高的中微子。目前该项目仍处于提案阶段；相关公告并未确定开工或竣工日期。
获奖背后的重要里程碑
冰立方的发展历程包含几个阶段，有时这些阶段会被压缩成一个发现日期：提出仪器构想、开展建设、记录事件、公布分析结果，以及发表研究成果。
- 1988年：哈尔岑首次提出在南极点探测中微子的构想。
- 2002年：冰立方合作组织成立，千叶大学作为唯一的日本机构加入。
- 2004年至2011年：工程启动，整座天文台建成并投入运行。
- 2011年至2013年：记录到首批重要事件，相关成果于2012年6月公布，并于2013年发表论文。
- 2017年至2018年：IC170922A事件促成研究人员将其与耀变体TXS 0506+056联系起来，相关发现随后发表。
- 2021年：首次探测到格拉肖共振的成果发表。
- 2023年：冰立方公布银河系中微子观测结果。
- 2026年1月21日：冰立方升级项目完成安装。
- 2026年10月6日：哈尔岑获诺贝尔物理学奖。
据吉田介绍，合作组织已从成立时的五个国家扩展至如今的14个国家。千叶大学项目网页记录显示，2020年该项目有12个国家的53家机构、约300名研究人员参与；如今则有58家机构的约450名研究人员。
作为冰立方首席研究员，哈尔岑在谈及获奖感受时，将这项集体事业置于核心位置。
我终于能为这个伟大的合作团队争取到应有的认可，这让我如释重负。
对千叶大学而言，下一个具体里程碑是预计于2026年晚些时候公布升级项目的首批科学数据。该校研究人员也在为拟议中的大型天文台做准备，同时继续寻找冰立方所探测粒子的宇宙加速器。
要点
- 弗朗西斯·哈尔岑因冰立方项目及宇宙中微子发现，荣获2026年诺贝尔物理学奖。
- 千叶大学自2002年起参与该项目，至今仍是合作组织中唯一的日本机构。
- 千叶大学帮助识别了早期宇宙信号、耀变体源以及首个格拉肖共振事件。
- 原始天文台在一立方千米南极冰层中部署了5160个光学模块。
- 最新升级项目安装的600多个新探测器中，约40%由千叶大学制造。
- 最新时间表预计升级项目首批科学数据将于2026年晚些时候公布；冰立方第二代仍处于提案阶段。
