中微子之所以令人着迷，一个重要原因是，它为我们提供了一种完全不同的方式来观察宇宙。
2026年10月6日，瑞典皇家科学院宣布，美国科学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）因为“对冰立方中微子天文台的决定性贡献和发现具有天体物理起源的高能中微子”获得当年的诺贝尔物理学奖。这是中微子相关研究第五次获得诺贝尔奖。而此次哈尔岑独自获奖，在现代物理学研究中也颇为少见。对于相关问题，瑞典皇家科学院院士、瑞典隆德大学物理学荣誉教授斯蒂芬·克罗尔（Prof. Stefan Kröll）在诺贝尔奖发布会现场接受了本刊的专访。
三联生活周刊： 这是诺贝尔物理学奖第五次授予与中微子密切相关的研究。为什么中微子在现代物理学中如此重要？
克罗尔： 我加入诺贝尔物理学委员会的时间并不长，因此很难从委员会历史的角度回答这个问题。但我想，委员会并不会首先考虑“是不是应该再让中微子研究获奖”，而是会问：什么是最令人兴奋、最值得被奖励的研究？而在过去几十年里，中微子领域不断出现这样的成果。中微子之所以令人着迷，一个重要原因是，它为我们提供了一种完全不同的方式来观察宇宙。我们可以通过很多“信使”来了解宇宙，比如伽马射线、X射线、无线电波以及各种高能粒子。中微子的特殊之处在于，它与物质的相互作用极弱，因此可以从非常遥远的地方来到我们这里。现在我们已经可以探测到一些高能中微子，却还不能确定它们究竟来自什么天体。也许只是因为我们目前探测到的中微子数量还不够多，也有可能是因为它们的源头非常遥远。我们现在还不知道答案，而这恰恰使这个领域非常令人兴奋。这次获奖工作还有一个特点：它既是一项发现，也包含了非常重要的发明。构想冰立方中微子天文台（IceCube）这样的探测器，并且最终把它建设出来，本身就是非常了不起的成就。在此基础上，人们又发现了能量远远高于此前观测到的中微子，并由此看到了利用它们来探索宇宙的巨大潜力。至于这扇新的窗口最终能带给我们多大的突破，现在还很难判断。三联生活周刊： 弗朗西斯·哈尔岑此次独自获得诺贝尔物理学奖，这并不常见——尤其考虑到IceCube是一个如此庞大的国际合作项目。他个人最重要的贡献是什么？克罗尔： 最重要的一点是，他是最早提出这一构想的人之一，并在此后一直推动整个项目的发展。当然，这也会引出一个问题：如此庞大的项目有这么多人参与，为什么奖只颁给一个人？但我们也可以把问题反过来问：如果一个人提出了最初的构想，并长期领导、推动这样一个巨大的合作项目，难道仅仅因为参与者众多，他就不应该独自获奖吗？
图源：美国物理学会三联生活周刊： 科学家曾经使用很多不同的介质探测中微子，比如纯水、重水、液体闪烁体等等。为什么IceCube选择了南极冰？冰对于高能中微子探测有什么特殊优势？克罗尔： 早期人们曾经尝试在水中进行这样的实验，但遇到了不少实际困难。水会流动，里面存在生物，设备还面临腐蚀等问题，这些因素都会给探测带来干扰。冰则非常稳定。它基本是静止的，也不会受到水流和海洋生物的影响。于是人们想到，也许可以把巨大的天然冰层本身变成探测器的一部分。这是一种很有创造性的思路。当然，冰也带来了新的技术挑战。比如，怎样把大量探测设备安装到深层冰盖之中？这是一个巨大的工程问题。所以我并不是说冰一定优于水。事实上，现在也有一些新的中微子探测器选择建在海洋中。但IceCube的意义在于，它首先证明了这条路线是可行的。如果IceCube没有成功，后来的其他项目是否还会出现，都很难说。在某种意义上，正是IceCube的成功给了后来者信心。三联生活周刊： 如果今天从零开始重新设计一台高能中微子探测器，冰仍然会是最好的选择吗？克罗尔： 这个问题我不敢给出明确的答案，因为我的专业领域是原子物理，而不是中微子探测技术。不过值得注意的是，现在一些正在建设的新探测器选择了海洋。把探测设备安装到很深的冰层中，本身需要付出巨大的工程努力。究竟冰和水哪一种方案更好，恐怕还是应该由这个领域的专家来回答。
中微子实验室（图源：《nature》）三联生活周刊： 我们经常听到“高能中微子”这个说法。在这里，“高能”意味着什么？克罗尔： 这里一个关键之处在于，这些高能中微子的来源不同于我们通常讨论的太阳中微子等低能中微子。它们可能来自银河系之外，当然银河系内部也有潜在的高能中微子源，比如银河系中心。因此，当我们谈论这类高能中微子时，至少是在讨论来自太阳系之外的中微子，而其中相当重要的一部分研究对象，是来自银河系之外的中微子。三联生活周刊： IceCube探测到的中微子，与太阳中微子、超新星中微子以及粒子加速器产生的中微子，有什么本质区别？克罗尔： 从粒子本身来说，并没有什么不同，涉及的基本相互作用也是一样的。真正显著的区别在于能量尺度。产生这些高能中微子的粒子本身具有非常高的能量。当中微子在探测器中发生相互作用后，我们可以通过它在探测器中留下的信号估计它的能量。因此，相比太阳中微子等我们过去熟悉的中微子，IceCube所研究的是完全不同的能量尺度。三联生活周刊： 当我们在地球上探测到一个能量极高的中微子时，它能够告诉我们宇宙深处曾经发生过什么？克罗尔： 我们知道一些天体环境有可能产生出高能粒子。例如活动星系核，其中存在强大的喷流和非常剧烈的物理过程，它们可能产生高能中微子。但是对于已经探测到的一些高能中微子，我们仍然无法完全确定它们究竟来自什么天体。所以现在还太早，不能给出一个统一的答案。这些高能中微子究竟来自哪里，本身就是这个领域最重要的开放问题之一。三联生活周刊： 如果IceCube探测到一个高能中微子，我们怎样追溯它来自宇宙中的哪个方向？克罗尔： 一种很重要的情况是，中微子发生相互作用之后会产生一个带电粒子，例如μ子。μ子穿过探测器时会留下一条很长的轨迹，我们可以利用这条轨迹反推出入射中微子的方向。对于这类事件，IceCube的角分辨率大约可以达到0.5度。这也是中微子非常特殊的地方。它本身不带电，所以在宇宙中传播时不会像带电的宇宙线那样受到磁场偏转。因此，一旦我们比较准确地确定了它抵达地球时的方向，就可以沿着这个方向回溯，在天空中寻找它可能的来源。三联生活周刊： 人们常说IceCube打开了“中微子天文学”的窗口。我们已经可以通过可见光、无线电波、X射线、伽马射线甚至引力波观察宇宙，为什么还需要中微子天文学？克罗尔： 这是一个非常好的问题。我们可以回想太阳中微子的例子。在真正探测到太阳中微子之前，人们已经建立了太阳内部核反应的理论模型。但当我们真正探测到来自太阳的中微子之后，就有了一种独立的方法，可以检验我们关于太阳内部究竟发生了什么的理论。中微子天文学也具有类似的意义。但更重要的是，中微子与其他宇宙信使的传播性质非常不同。你刚才提到的伽马射线、X射线等电磁辐射，在穿越宇宙的过程中可能被吸收或者衰减，因此我们能够看到的距离受到限制。中微子与物质的相互作用极弱，因此可以穿越极其漫长的距离抵达地球。这意味着，中微子有可能把其他信使无法带给我们的宇宙信息带到地球。这也正是中微子天文学最令人期待的地方。 三联生活周刊： 高能宇宙线的起源是现代天体物理学最重要的未解问题之一。高能中微子和宇宙线之间有什么关系？IceCube能帮助我们解决宇宙线起源问题吗？克罗尔： 它至少可以帮助我们获得一些重要线索。如果我们探测到一个能量非常高的中微子，那么根据产生中微子所需要的物理过程，我们知道背后一定存在高能粒子的碰撞，例如涉及高能质子的过程。也就是说，要产生这样的高能中微子，就必须首先存在一个能够把粒子加速到足够高能量的环境。因此，通过探测高能中微子，我们可以反过来研究宇宙中那些极端的粒子加速过程。从这个意义上说，中微子确实能够帮助我们追踪高能宇宙线的来源。三联生活周刊： IceCube探测到的中微子中，既有来自遥远宇宙的高能中微子，也有各种背景中微子。科学家怎样把真正来自遥远宇宙的中微子从背景中区分出来？克罗尔： 一个重要依据是它们的能量。不同来源的中微子具有不同的能量分布，因此我们可以利用能量信息来进行区分。如果探测到一个能量极高的中微子，就意味着宇宙中一定存在某个能够产生如此高能粒子的源。银河系内部当然也可能存在这样的源，比如银河系中心；而对于另外一些高能事件，我们就需要到银河系之外寻找它们的来源。
《三联生活周刊》主笔苗千在诺贝尔物理学奖颁奖现场提问（图源：颁奖现场直播截图）三联生活周刊： 让我们从天体物理回到基础粒子物理。你认为今天关于中微子最大的未解之谜是什么？克罗尔： 中微子身上仍然有很多令人困惑的问题。首先是它的质量——为什么中微子的质量如此之小？这是一个非常基本的问题。另外一个非常有意思的问题是中微子振荡。中微子为什么能够从一种味（flavor）转变成另一种味？为什么自然界会有这样的机制？这也是一个非常深刻的问题。所以，如果从我个人感兴趣的问题来说，我会选择两个：中微子为什么拥有如此小的质量，以及为什么会发生不同味之间的转变。再往深处，我们甚至可以追问：中微子在整个粒子物理图景中究竟意味着什么？我们知道，在解释许多粒子反应和衰变时，中微子是不可缺少的。但为什么自然界中的中微子恰恰具有我们今天观察到的这些性质？这里显然还有很多事情是我们没有真正理解的。责编：杨天朗
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