日本唯一的冰立方團隊共享全球成就
威斯康辛大學麥迪遜分校82歲的法蘭西斯・哈爾岑，因參與冰立方中微子觀測站及其發現來自遙遠宇宙來源的高能粒子，獲頒2026年諾貝爾物理學獎。10月6日公布的獎項，也肯定了千葉大學自2002年起參與的這項科學計畫；該校是合作團隊中唯一的日本機構。
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瑞典皇家科學院在諾貝爾獎公告中表示，哈爾岑獲獎理由是「對冰立方中微子觀測站的關鍵貢獻，以及發現天體物理來源的高能中微子」。獎金為1,200萬瑞典克朗。
千葉大學的貢獻涵蓋從辨識首批宇宙中微子訊號，到打造如今埋設於南極點冰層下的儀器。該校研究人員協助將一個中微子訊號與遙遠星系連結，參與首次偵測到罕見反中微子交互作用，並製造冰立方最新升級計畫所安裝逾600個光學偵測器中的約40%。
千葉大學國際強子天體物理學中心主任、60歲的教授吉田茂，以及52歲的石原綾，10月6日在千葉市西千葉校區舉行的記者會上對得獎表示歡迎。石原從名古屋線上參與。
諾貝爾獎將獎項頒給哈爾岑個人。然而，觀測站的成就屬於一項國際合作計畫，約有來自14個國家、58個機構的450名科學家參與。千葉大學的角色顯示，一支小型研究團隊如何在解讀觀測結果及設計新一代設備方面，成為計畫的核心力量。
從1988年的構想到一立方公里觀測站
哈爾岑於1988年首次提出利用南極點冰層偵測中微子的構想。他1944年出生於比利時蒂嫩，1969年取得魯汶天主教大學博士學位，後來成為威斯康辛大學麥迪遜分校教授。他的提案不是建造傳統實驗室容器，而是將極大體積的天然冰層轉化為粒子偵測器。
完工後的觀測站利用阿蒙森—史考特南極站下方一立方公里的冰層進行觀測。原始陣列包含5,160個光學模組，分布在86條纜線上，每條纜線設有60個模組。
工程於2004年動工。各方對完工年份的記載不盡相同：千葉大學的計畫沿革記載工程於2010年12月結束，諾貝爾獎公告則稱冰立方於2011年完工。86條偵測線全數開始運作是在2011年；這也區分了安裝工程結束與完整陣列開始觀測的時間。
原始建造成本據報為2億7,100萬美元，其中大部分經費由美國國家科學基金會提供。美國國家科學基金會在頒獎聲明中表示，20多年來持續投資冰立方的設計、建造與運作。美國南極計畫則支援在偏遠站址進行建造。
諾貝爾物理學委員會主席馬克・皮爾斯肯定哈爾岑的領導力，指出他讓構想成為實際運作的觀測站。
法蘭西斯・哈爾岑帶領國際研究人員與工程師團隊，為我們打造出一項了不起的儀器。他的堅持與科學遠見，為一種新型態的天文學開闢了道路。
冰立方如何偵測通常會穿過地球的粒子
中微子不帶電，與物質交互作用的機率極低。大多數中微子穿過地球時不會留下可偵測的痕跡。這使它們難以觀測，卻也讓它們成為有用的信使：磁場不會像使帶電宇宙粒子偏轉那樣，改變中微子的路徑。
偵測器不會直接拍攝中微子。中微子偶爾與原子核或電子交互作用時，會產生帶電粒子。這些粒子可能發出契忍可夫光，也就是帶電粒子在某種介質中的行進速度超過光在該介質中的速度時，所產生的微弱輻射。
冰立方的光學感測器會記錄這些光的時間與亮度。研究人員利用這些測量結果估算入射粒子的能量與方向。由於中微子交互作用十分罕見，觀測站以極大的體積彌補這項限制。
千葉大學的冰立方計畫說明指出，原始模組的深度介於1,450至2,450公尺。其他資料採用較寬的範圍，包括1,400至2,600公尺。最新升級工程的鑽孔深達2,600公尺；這是施工深度，不應與原始感測器的安裝位置混為一談。
模組內裝有光電倍增管，能將微弱光閃轉換為可測量的電訊號。日本濱松市的濱松光子學公司研發了冰立方偵測器使用的光電倍增管，使日本產業也與大學研究人員並肩參與計畫。
偵測到光只是第一步。任職於威斯康辛冰立方粒子天體物理中心、負責協調資料處理與模擬的胡安・卡洛斯・迪亞斯・貝萊斯表示，冰立方每偵測到一個中微子，就會偵測到超過100萬個由宇宙射線產生的μ子。μ子是帶電粒子，也會留下明亮的軌跡，因此研究人員必須在大量背景事件中辨識中微子事件。
迪亞斯・貝萊斯表示，處理觀測資料及執行模擬時，分散式運算網路合計使用約1萬個中央處理器核心與1,000個圖形處理器。美國國家科學基金會也肯定其運算設施協助研究人員解讀冰立方測量結果。
千葉大學的首批訊號與發現年份
千葉大學表示，冰立方合作團隊於2002年成立時，該校研究團隊便加入。吉田自1990年代起便認識哈爾岑，但加入計畫時仍面臨很大的不確定性。他在大學的得獎回應中回憶，當時普遍有人質疑中微子能否成為觀測高能宇宙的實用工具。
石原於2004年完成博士學位後，2005年1月加入威斯康辛大學團隊，並於2006年將研究基地轉至千葉。她形容，這支人力與經費有限的團隊發展出自己的分析策略，在規模大得多的合作計畫中做出獨特貢獻。
這項策略協助團隊辨識出兩個能量極高的事件。千葉大學的詳細計畫沿革記載，兩個事件分別發生於2011年8月與2012年1月，測得能量為1.04 ± 0.16及1.14 ± 0.17拍電子伏特。1拍電子伏特（PeV）等於1,000兆電子伏特，是測量粒子能量的單位。
大學於2012年6月在國際研討會上發表初步發現。相關論文於2013年7月刊登於《物理評論快報》，更廣泛的分析則於2013年12月刊登於《科學》。這段時序說明了為何千葉大學稱其為2012年的發現，而美國國家科學基金會與冰立方的諾貝爾獎公告則將這項重要發現歸於2013年。
早期兩個事件的發生時間，各方記載不一：一份資料稱它們於2013年及2014年被偵測到，千葉大學的詳細說明則記載為2011年及2012年。大學沿革對能量的概述也有出入，但其個別事件資料列出了上述數值與不確定度。
後續分析在最初兩個事件之外，又增列26個事件。千葉大學的資料指出，在這28個事件中，預期約有11個背景事件；其能量、形狀與來向支持宇宙來源的判定，統計信心水準超過4個標準差。
千葉大學將這個新能量範圍與1987年神岡核子衰變實驗（Kamiokande）觀測到的中微子相比，形容能量提高約1億倍。美國國家科學基金會則以較廣泛的說法指出，偵測到的中微子能量超過過往觀測值的100萬倍。這些比較採用不同的參照基準，不應視為相同的測量結果。
追溯中微子至遙遠星系
發現宇宙中微子，證實天然粒子加速器會產生這些粒子。要找出來源，還需要進一步結合中微子的估計來向與其他儀器的觀測結果。
日本時間2017年9月22日，冰立方偵測到一個名為IC170922A的事件。伽馬射線衛星與光學望遠鏡接續追蹤警報，將這個事件與TXS 0506+056連結；該耀變體與超大質量黑洞有關。研究結果於2018年公布並刊登於《科學》期刊。
耀變體是一種活動星系核，其強大噴流朝向地球。原始報導將2018年的結果描述為中微子可能來自該耀變體的證據。千葉大學稱這是首次辨識中微子來源；美國國家科學基金會則將2018年的結果形容為確切證據，證明中微子來自另一個星系中的超大質量黑洞。
這項連結仰賴研究人員所稱的多信使天文學：透過不同訊號研究同一種宇宙活動，此處使用的是中微子及數種電磁輻射。中微子提供了單靠光線無法取得的資訊，望遠鏡觀測則有助辨識其來向上的天體。
廣島大學專攻高能宇宙觀測的教授深澤泰司肯定千葉大學對偵測器的研發與組裝，以及迅速將中微子資訊傳送至全球天文台的系統。這套警報系統讓各地觀測站得以協調後續觀測。
冰立方後來也報告了另一個星系NGC 1068（又稱梅西耶77）發出中微子的證據。美國國家科學基金會指出，冰立方於2023年公布銀河系中微子觀測結果，製作出首張以中微子為基礎的銀河系影像。這項進展讓實驗從偵測個別粒子，進一步朝描繪粒子來源邁進。
罕見反中微子交互作用檢驗粒子物理學
千葉大學也參與了2021年刊登於《自然》的成果：首次透過電子反中微子偵測到格拉肖共振。反中微子是中微子的反物質對應粒子。
格拉肖共振是一種理論預測的交互作用：電子反中微子與電子碰撞，產生參與弱作用力的W玻色子。觀測到這種現象，檢驗了標準模型的預測；標準模型是描述已知基本粒子及其交互作用的理論。
這項成就展現了冰立方的雙重用途：既能研究產生高能粒子的宇宙環境，也能利用這些粒子檢驗基本物理學；其能量之高，是人造加速器難以研究的。
曾因發現中微子振盪而共同獲頒2015年諾貝爾物理學獎的東京大學教授梶田隆章，也對哈爾岑獲獎表示歡迎。他形容冰立方是期待已久的重要一步，有助了解宇宙射線的起源與加速機制。
1月安裝逾600個新偵測器
此次頒獎肯定之際，千葉大學也大幅擴展了其工程貢獻。該校於2月13日發布的升級工程完工公告指出，安裝工程已於2026年1月21日完成。
約40名研究人員與工程師組成的特別團隊，從2025年11月底起投入約兩個半月。他們鑽掘6個深孔，並在既有偵測器中央安裝逾600個新光學模組。
新模組中約40%為D-Egg偵測器，由千葉大學國際強子天體物理學中心歷經十多年設計與製造。德國與美國團隊則提供另一種偵測器設計mDOM。
每個D-Egg都在玻璃外殼內裝有兩個靈敏光感測器，分別朝向相反方向。接收來自上方與下方的光，有助測量光的方向與強度。其外殼也能安裝在較窄的鑽孔中。負責製造工作的石原也加入了南極安裝團隊。
施工時程十分緊迫。熱水鑽探約需60小時，才能鑽出並整修深達2,600公尺的孔洞。接著，安裝人員必須在30小時內放下約110個相連的偵測器，以免通道重新結冰封閉。
大學也表示，5個由千葉製造的示範偵測器已安裝，作為冰立方第二代（IceCube-Gen2）的研發準備。日本企業、研究生與年輕研究人員參與偵測器研發與生產，讓日本的貢獻不只限於資料分析。
擴大低能量中微子的偵測範圍
升級計畫將感測器排列得更密集，以偵測低能量中微子較微弱的光。目標涵蓋吉電子伏特（GeV）能量範圍，同時改善對光線如何穿過周圍冰層的測量。更了解冰層特性，應能提升中微子來向的重建精度。
千葉大學表示，升級後的有效偵測體積相當於約200萬噸水，超級神岡偵測器則約為5萬噸。兩者相差約40倍。不過，體積並非決定靈敏度或精確度的唯一因素，因為兩種儀器的配置與觀測方法不同。
這座更密集的陣列，將以超高能天文學聞名的設施拓展至另一種粒子能量範圍。千葉大學指出，大質量恆星引力塌縮與黑洞形成時釋出的中微子，是可能的研究目標，而非已經完成的觀測。
觀測時程的說法也從概略轉為更具體。千葉大學2月的公告預期，待冰層重新結凍、完成通訊檢查、校準與精確定位偵測器後，可望於2026年夏季前後開始觀測。
冰立方10月發布的諾貝爾獎公告則表示，升級後的首批科學資料預計於2026年稍晚取得。公告並未證實夏季期間已開始全面科學觀測。
擬議中的冰立方第二代將建造光學陣列，體積達現有觀測站的8倍，並新增無線電偵測，以觀測能量更高的中微子。目前這仍是提案；相關公告未確定開工或完工日期。
獎項背後的重要里程碑
冰立方的發展歷程包含數個階段，有時會被簡化成單一發現年份：提出儀器構想、建造、記錄事件、發表分析，以及刊登研究成果。
- 1988年：哈爾岑首次提出在南極點偵測中微子的構想。
- 2002年：冰立方合作團隊成立，千葉大學以唯一日本機構身分加入。
- 2004年至2011年：工程動工，完整觀測站投入運作。
- 2011年至2013年：記錄到首批重要事件，於2012年6月發表，並於2013年刊登期刊論文。
- 2017年至2018年：IC170922A事件促成與耀變體TXS 0506+056的連結，研究結果隨後刊出。
- 2021年：首次偵測到格拉肖共振的研究成果刊出。
- 2023年：冰立方公布銀河系中微子觀測結果。
- 2026年1月21日：冰立方升級計畫的安裝工程完成。
- 2026年10月6日：公布哈爾岑獲頒諾貝爾物理學獎。
據吉田表示，合作團隊已從成立時的5個國家，擴大至目前的14個國家。千葉大學計畫網頁記載，2020年有來自12個國家、53個機構的約300名研究人員，目前則約有來自14個國家、58個機構的450名研究人員。
身為冰立方計畫主持人，哈爾岑在得獎感言中強調這項集體努力。
我終於能讓這項偉大的合作計畫獲得應有肯定，對此感到如釋重負。
對千葉大學而言，下一個明確里程碑，是預計於2026年稍晚公布升級設備的首批科學資料。研究人員也正為擴大觀測站的提案做準備，同時持續尋找產生冰立方所偵測粒子的宇宙加速器。
重點整理
- 法蘭西斯・哈爾岑因冰立方計畫及宇宙中微子發現，獲頒2026年諾貝爾物理學獎。
- 千葉大學自2002年起參與計畫，至今仍是合作團隊中唯一的日本機構。
- 千葉大學協助辨識早期宇宙訊號、耀變體來源，以及首個格拉肖共振事件。
- 原始觀測站在一立方公里的南極冰層中使用5,160個光學模組。
- 最新安裝的逾600個升級偵測器中，約40%由千葉大學製造。
- 目前時程預期於2026年稍晚取得升級設備的首批科學資料；冰立方第二代仍處於提案階段。
