中微子研究在现代物理学中发挥了非凡的作用。与这些粒子有关的发现已为五项诺贝尔物理学奖做出了贡献。今年，物理学家弗朗西斯·哈尔曾（Francis Halzen）因“对冰立方中微子天文台的决定性贡献以及对天体物理起源高能中微子的发现”而荣获这一殊荣。
加州大学圣迭戈分校物理学杰出教授乔治·富勒（George Fuller）数十年来一直从事核物理、粒子天体物理和宇宙学研究。他还与哈尔曾合作发表了一篇关于冰立方的早期科学论文。凭借其专业知识，他可以帮助解释中微子为何如此非同寻常，以及科学家为何要在南极冰层深处建造一座巨大的天文台来研究它们。
中微子为何如此神秘？
中微子属于科学家认为没有更小组成成分的基本粒子。它们有三种类型，分别称为电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。与带电粒子不同，中微子不带电荷。它们确实有质量，但极其微小，可能约为电子质量的千万分之一。它们的确切质量仍然未知，产生质量的机制也同样未知。
另一个显著特点是它们几乎毫无阻碍地穿透物质的能力。由于中微子与其他粒子发生相互作用极其罕见，它们能够以接近光速的速度跨越遥远的距离。
中微子来自许多不同的地方，包括太阳、遥远的太空区域，以及科学家尚未确认的来源。它们的数量也惊人地庞大。据估计，宇宙中大约含有1089个中微子，相当于每个现存原子对应大约十亿个中微子。
“中微子是真正的幽灵般的粒子，”富勒说道。“很难阻挡它们，也很难捕捉它们。我们甚至是怎么知道它们存在或它们在哪里的呢？”
几乎能穿透一切的幽灵粒子
尽管行踪飘忽，中微子偶尔会通过一种被称为弱相互作用的基本力与物质发生相互作用。这种力比电磁力弱大约20个数量级。这类相互作用可以使中微子发生散射或被吸收，从而为科学家提供了探测它们的方法。然而，这些事件极其罕见，观测它们需要异常灵敏的设备。
它们穿透致密物质的能力也使中微子成为来自宇宙中其他方式无法到达区域的宝贵信使。它们能够逃离坍缩恒星和黑洞周围的环境，携带其他形式的辐射可能无法揭示的信息。
这种看不见的活动的规模令人震惊。每秒钟大约有1000亿个中微子穿过你身体的每平方厘米，而几乎完全不被察觉。
“因为相互作用如此微弱，中微子几乎能穿透任何东西，”富勒说。“数光年厚的铅——取决于它们的能量——它们也能直接穿过去。”
科学家如何学会探测中微子
对中微子的探索早在观测它们的技术出现之前很久就开始了。20世纪30年代，物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）提出，一种未知的粒子可能可以解释为什么在某些形式的放射性衰变中能量似乎消失了。他最初对这个假想粒子使用了不同的名称（当时他称之为“中子”）。
泡利明白验证他的想法将非常困难。他有一句名言承认了这个问题：“我做了一件可怕的事，我提出了一种无法被探测到的粒子。”
几十年来，中微子一直超出了实验的能力范围。这种情况在1956年发生了改变，物理学家克莱德·科万（Clyde Cowan）和弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reines）在一项被称为“恶鬼计划”的实验中成功探测到了它们。
这一突破确立了中微子的真实存在，但探测它们仍然是一项巨大的挑战。科学家需要越来越精密的仪器来研究来自太空的最稀有、能量最高的中微子。
为什么南极洲是搜寻宇宙中微子的理想之地
20世纪90年代，哈尔曾认识到，南极为中微子研究提供了一个非凡的天然环境。在南极洲表面深处很远的地方，巨量的冰异常清澈，气泡和污染物相对较少，不会干扰对微弱闪光信号的探测。
他的愿景最终促成了冰立方中微子天文台的建成，这是一座嵌入大约一立方千米南极冰层中的巨型科学仪器。为了建造它，研究人员钻出深孔，并放下装有被称为光电倍增管的灵敏光探测器的长串缆线。
这些仪器寻找由一种称为切伦科夫辐射的现象产生的短暂蓝色闪光。当该光出现时，是一个中微子与冰中的物质发生了相互作用，并产生了一种在该介质中运动速度超过光速的带电粒子。
通过记录这些闪光，研究人员可以识别出否则将不留任何可探测痕迹就穿过地球的中微子的证据。
来自深空的非凡粒子
冰立方对于研究来自遥远宇宙源头、能量极高的中微子尤为重要。与太阳产生的数量庞大、能量相对较低的中微子不同，这些强大的宇宙访客极其罕见。该天文台每年只能探测到几十个能量最高的例子。
当其中一个中微子与冰发生相互作用时，它会产生一个快速运动的电子或μ子。例如，μ子在穿过冰层时会产生一道锥形切伦科夫光。科学家分析由此产生的光的图案，以估算中微子的能量并重建其到达的方向。
对富勒来说，这些能量异常高的中微子是冰立方最激动人心的发现之一，因为它们的起源以及使它们加速的物理过程仍然知之甚少。
“在冰立方探测到的一些超高能中微子，其能量大约是来自太阳的典型中微子的100亿倍。一个由类似实验探测到的中微子的能量还要再高出200倍。我们真的不知道那个中微子来自哪里，”他说。“它竟能到达这里，这一事实本身可能就揭示了关于宇宙的某些深刻道理。从这个意义上说，哈尔曾确实站在了实验基础粒子物理的前沿。”
中微子可能揭示大爆炸的秘密
为理解中微子而进行的科学努力远远超出了南极洲的范围。加州大学圣迭戈分校的研究人员还参与了另一座重要天文台的建设，该天文台可能为这些难以捉摸的粒子以及宇宙最早的历史提供新的见解。
西蒙斯天文台位于智利阿塔卡马沙漠的高处，正在收集关于宇宙微波背景的信息，宇宙微波背景是早期宇宙遗留下来的古老辐射。这种辐射常被描述为宇宙中最古老的光，为宇宙大爆炸后不久存在的条件提供了宝贵的记录。
加州大学圣迭戈分校帮助建立了该天文台，该校物理学杰出教授布赖恩·基廷担任其首席研究员。
尽管该天文台主要研究古老的光，但其测量结果也可以揭示来自宇宙历史最早期阶段的中微子的信息。该项目可能会提供与这些古老粒子相关的大量新数据，有可能提供其他实验无法获得的见解。
富勒认为，预期的观测结果可以增进科学家对大爆炸、宇宙早期演化以及其他有关宇宙如何发展的基本问题的理解。
“哈尔曾的工作，以及那些受他的愿景激励的人的工作，为人类打开了一扇观察宇宙和观察神秘而出了名难以捉摸的中微子的新窗口，这是奠基性的，”他说。