2026 諾貝爾物理學獎:南極冰裡怎麼抓到微中子?
2026 諾貝爾物理學獎在獎什麼?Halzen 在南極冰下埋 5,160 個感測器(冰立方),找到宇宙高能微中子,台灣中研院參與銀河系研究;NGC 1068 方向多出約 79 個,仍不確定。
本篇分成 16 段
每一秒鐘,有 650 億個從太陽來的微中子,穿過你的小指指甲。你什麼也感覺不到。它們幾乎什麼都沒碰到,穿過你,再穿過整個地球。
2026 年 10 月 6 日,瑞典皇家科學院把今年的諾貝爾物理學獎,頒給一個想辦法攔下這種粒子的人:Francis Halzen。他帶著一群研究者和工程師,在南極點一千多公尺深的冰層裡,一串一串放下會感光的球,把一整立方公里的冰變成望遠鏡。它叫冰立方微中子觀測站(IceCube Neutrino Observatory),以下簡稱冰立方。
微中子不帶電,宇宙裡的磁場推不動它,塵埃也擋不住它。它從哪裡出發,就直直朝那個方向飛到地球,所以追著它的方向,就能找回源頭。麻煩的是它幾乎不跟任何東西作用,要抓到它,得準備一大塊又黑又透明的東西,等它偶爾撞上一顆原子核。撞出來的帶電粒子往前衝,沿路閃出一點淡藍色的光;發光的是這些帶電粒子,微中子自己不發光。
冰立方找到的,是一批能量極高、來自遙遠宇宙的微中子。它們確切是從哪個天體來的,到今天只找到幾個可能的來源;例如星系 NGC 1068,證據還沒到物理學界說「發現」的門檻。
台灣也在這段故事裡:中央研究院物理研究所的 Anatoli Fedynitch 是冰立方 2023 年那篇「銀河系也在發出高能微中子」論文的作者之一,他帶領的團隊負責其中的大氣背景模型。

前一天的生理學或醫學獎頒給了光遺傳學,那是綠藻身上一扇看到藍光就打開的門,站上寫在〈2026 諾貝爾獎光遺傳學:綠藻蛋白怎麼變神經開關?〉。今年的物理學獎,等的也是一道藍光,只是它出現在南極兩公里深的冰裡,一閃就過去。
隔天的化學獎頒給 Kagan 與硤合憲三,主題是分子的左右手;它跟醫美針劑裡的聚乳酸有一段真的關係,也有一段不能亂接的,寫在〈2026 諾貝爾化學獎:童顏針的聚乳酸,也有左右手?〉。
今年的物理學獎只有一位得主,獨得 1,200 萬瑞典克朗。依諾貝爾官方資料庫的得主名單算,1980 年以來,物理學獎由一個人獨得的只有五次:1982、1985、1991、1992,以及今年。上一位是 1992 年的 Georges Charpak,中間隔了 34 年。
Halzen 1944 年 3 月 23 日出生在比利時的蒂嫩(Tienen),在比利時長大,1969 年在魯汶大學(KU Leuven)拿到博士。他一開始研究的是由夸克組成的重粒子,博士畢業後不久到了美國威斯康辛大學麥迪遜分校,現在是那裡的教授。冰立方從計畫剛開始,他就是計畫主持人。
得獎理由的原文是 “for decisive contributions to the IceCube Neutrino Observatory and the discovery of high-energy neutrinos of astrophysical origin”,意思是:對冰立方微中子觀測站的決定性貢獻,以及發現來自天文物理源頭的高能微中子。諾貝爾物理委員會主席 Mark Pearce 說,Halzen 帶著一支國際團隊,交出了一台了不起的儀器;他的堅持與科學眼光,替一種新的天文學鋪了路。
宇宙裡最害羞的粒子
諾貝爾委員會寫給民眾的說明,一開頭就叫微中子「宇宙裡最害羞的粒子」。它不帶電,質量小到幾乎沒有,穿過物質時通常什麼也不碰,極少數的時候才會撞上一顆原子核,讓人知道它來過。
美國作家 John Updike 寫過一首關於微中子的詩,第一句是 “Neutrinos, they are very small”。Halzen 在 1999 年一篇給大眾看的文章裡提到這首詩,說 Updike 有兩個地方寫錯,但精神是對的。
這顆粒子一開始只是一個猜測。1930 年,物理學家包立(Pauli)在算放射性原子的帳:原子在 β 衰變時放出來的能量,量起來總是對不上,好像有一部分憑空不見了。包立猜,應該有一顆看不見的小粒子,把那一份能量偷偷帶走了。
包立後來得了 1945 年的諾貝爾物理學獎,原因是他提出的「不相容原理」,跟微中子沒有關係。
從猜到抓,花了 26 年。1956 年,Cowan 與 Reines 守在核子反應爐旁邊,第一次抓到了微中子。反應爐會大量放出微中子,等於拿一個很強的來源,去賭極少數撞上的那幾顆。Reines 在 1995 年因此得獎,那時 Cowan 已經在 1974 年過世。
諾貝爾從 1974 年起明訂不頒給已經過世的人。這條規則和「一個獎最多三個人」,也讓生醫獎錯過了好幾個名字,寫在〈諾貝爾生醫獎錯過了誰?從 DNA 到佛洛伊德〉。
後來知道微中子有三種:電子微中子、μ 微中子和 τ 微中子。μ 是希臘字母,讀作「繆」;τ 也是,讀作「陶」。這三個名字只是三種類型的代號。1988 年的諾貝爾物理學獎,頒給了發現 μ 微中子的三位物理學家。
它有多難抓?冰立方團隊有一個說法:如果偵測器只有一個人那麼大,平均要等大約 100 年,才會有一顆微中子在裡面撞上東西。冰立方要找的那種高能微中子更少,同樣大小的偵測器,要等大約十萬年。想多抓幾顆,偵測器就得非常、非常大。
650 億這個數字怎麼讀
- 「每秒 650 億個太陽微中子穿過你的小指指甲」是 2026 年諾貝爾民眾版說明的原話。
- 物理學家習慣的寫法是「每平方公分、每秒」。2015 年的諾貝爾民眾版寫:每秒有超過 600 億個太陽微中子,打到地球上的每一平方公分。「小指指甲大約一平方公分」是本站的換算,官方文件沒有這樣寫。
- 包立的不相容原理、Cowan 與 Reines、1988 年的 μ 微中子,都出自諾貝爾委員會科學背景說明開頭的導言。1995 年的物理學獎是 Reines 與發現 τ 輕子的 Perl 各得一半。
太陽和一顆爆炸的星,先寄來了信
微中子能拿來看天空,最早的證據來自太陽。1960 年代,Raymond Davis Jr 觀測到從太陽來的微中子。
1987 年,日本神岡(Kamiokande)的偵測器抓到一陣微中子,來自大麥哲倫雲裡一顆爆炸的恆星,也就是超新星 SN 1987A。大麥哲倫雲是我們隔壁的星系,那顆星離地球 16 萬光年。美國與蘇聯的偵測器,也在同一時間量到了。
2002 年的諾貝爾物理學獎,一半頒給 Davis 與小柴昌俊,表彰他們偵測到宇宙來的微中子;另一半給了做 X 光天文學的 Giacconi。
Davis 的數字留下一個謎:他抓到的太陽微中子,只有理論預測的三分之一。答案是微中子會「變身」:在太陽裡生出來時是一種,飛到地球時,可能已經變成另一種。2015 年的物理學獎,頒給證實這件事的梶田隆章與 McDonald。
太陽和超新星送來的微中子,能量都不高,大約在「百萬電子伏特」這一級。冰立方要找的,是另一種東西。
為什麼要找「高能」的那幾顆
1912 年,Hess 發現從太空落到地球的「宇宙射線」,1936 年因此得到諾貝爾獎。宇宙射線其實是從太空飛來的原子核,最多的是氫原子核,也就是一顆質子。
有些宇宙射線的能量高得嚇人。諾貝爾委員會的說法是,宇宙裡有些地方,能把粒子加速到比地球上的實驗高一百萬倍。
這些天然加速器在哪裡,一直是宇宙藏得最好的祕密之一。問題出在質子帶電。太空裡到處有磁場,帶電的粒子一路被推來推去,到了地球,早就看不出是從哪個方向出發的。
物理學給了一條線索:能把質子加速到極高能量的地方,也可能做出高能量的微中子和伽瑪射線。加速後的質子撞上附近的物質或光,生出一種叫 π 介子的粒子;不帶電的 π 介子變成伽瑪射線,帶電的 π 介子變成微中子。同一類反應,可能同時送出三種信差。它們能不能都逃出來、都抵達地球,要看那個地方的環境。
三種信差走的路很不一樣。
宇宙射線像一艘放進河裡的紙船,一路被水流推得東轉西轉,漂到岸邊時,已經看不出是從上游哪裡放下去的。
伽瑪射線是能量比可見光高得多的光,它的路是直的,可是會被擋。有些宇宙加速器躲在厚厚的物質後面,伽瑪射線出不來,像手電筒照進濃霧。它在路上也會和別的光作用,一路損失能量。
微中子不帶電,磁場推不動它;它幾乎不跟任何東西作用,塵埃也擋不住它。它從哪裡出發,就直直朝那個方向飛來。這跟魔法無關,它只是一路上幾乎什麼都沒撞到。

至於為什麼要挑「高能」的:地球附近本來就到處是微中子,放射性物質會放,太陽會放,宇宙射線撞上地球的大氣也會做出一大堆。這些微中子大多能量比較低。能量愈高,大氣做出來的就愈少;到了幾十 TeV(兆電子伏特)以上,從宇宙來的微中子才慢慢多過大氣做出來的。所以研究者特別盯著能量最高的那一批,它們最有機會來自很遠的地方,也許是恆星爆炸過的區域,也許是遙遠的活躍星系。即使如此,單獨一顆的出身仍然要靠能量、方向和篩選方法一起判斷。
信差的物理:π 介子、能量單位與第四種信差
- 質子撞質子,或質子撞光,產生帶電與不帶電的 π 介子。不帶電的 π 介子衰變成兩道伽瑪射線;帶電的 π 介子衰變後產生微中子(諾貝爾委員會的科學背景說明)。伽瑪射線也可以由電子產生,所以看到伽瑪射線,不一定代表那裡有質子被加速。
- 「一百萬倍」是諾貝爾委員會的概略說法。科學背景說明另外給了兩個數字:宇宙射線量到過大約 10 的 20 次方電子伏特,歐洲核子研究組織(CERN)的大強子對撞機是 7 兆電子伏特。兩者直接相除大約是一千四百萬倍,比「一百萬倍」還多;兩種說法指的是同一件事,宇宙裡的加速器比人做的強太多。
- 能量單位:電子伏特(eV)。百萬電子伏特是 MeV,太陽與超新星的微中子在這一級;一兆電子伏特是 TeV;一千兆電子伏特是 PeV。冰立方的主角在幾十 TeV 到幾 PeV 之間,大約是太陽微中子的一千萬倍到十億倍(本站依數量級粗估,官方文件沒有這個倍數)。
- 幾十 TeV 以上,天文來源的微中子通量才逐漸超過大氣背景;背景並沒有在某個能量突然消失(科學背景說明)。
- 科學背景說明把重力波列為可能的第四種信差。把幾種信差的資料合在一起看,叫多信使天文學(multi-messenger astronomy)。
用一大池水當眼睛
1960 年前後,蘇聯的 Markov、美國的 Reines 與 Greisen,各自想到同一件事:拿一大池水來抓宇宙的微中子。
道理是這樣的。微中子在水裡偶爾撞上一顆原子核,會撞出一顆帶電的粒子,順著微中子原本的方向往前衝,一邊衝一邊發出淡藍色的光。水是透明的,光看得見。只要儀器夠好,就能從光的走向,推回微中子是從哪裡來的。
那道藍光有個名字,叫契忍可夫光(Cherenkov light)。光在真空裡是宇宙的速度冠軍,沒有東西追得上。可是光一進到水裡或冰裡,就會慢下來。被撞出來的帶電粒子能量很高,有可能跑得比「水裡的光」還快;這時它會在身後拖出一圈淡藍色的光,有點像飛機飛得比聲音還快時,身後拖出一聲音爆。
重點在「水裡的光」。它跑贏的,是在水裡被拖慢的光,真空裡的光速仍然沒有人超越。
這個方法最要緊的是體積。撞上的機會太少,水要多到能讓很多顆微中子在裡面撞上東西,才看得出名堂。
夏威夷外海,一串沉下去的感測器
1975 年,Reines 和 John Learned 開始辦一系列研討會,計畫把一串一串的光感測器錨在海底,做一座公里級的偵測器。這就是 DUMAND,全名是深海 μ 子與微中子偵測器(Deep Underwater Muon and Neutrino Detector),地點在夏威夷外海,深 4,800 公尺。
1993 年 12 月,DUMAND 放下第一串感測器。不久,有些耐壓外殼漏水,海底的接線盒短路,保險絲又沒有斷開,整串感測器和岸上失去了聯絡。
海也有海的麻煩。海裡有會發光的生物,海水裡還有天然的放射性鉀(鉀-40),這兩種光都會混進量測,讓偵測器變得沒那麼靈敏。
故障的原因後來找到了,重新布放也在準備。1995 年,主要的出資者美國能源部停掉支持,DUMAND 終止。它累積的技術,傳給了後來在湖裡、海裡蓋的微中子望遠鏡。
1987 年秋天,堪薩斯的一場演講
DUMAND 還在規劃的那幾年,Halzen 正在研究從太空來的粒子。1987 年秋天,他到堪薩斯大學演講,聽眾裡有一位冰川學家 E. Zeller,會後告訴他:蘇聯有人打算在南極的冰裡,用無線電抓微中子。
那個計畫的想法是,微中子撞上冰裡的原子核,會像打出一個電火花,放出無線電波,用天線就收得到。Halzen 和同事 Stanev、Zas 算了一下,發現這個方法要等微中子的能量非常高才看得到,冰立方後來要找的那一級,它抓不到。
Halzen 轉了個方向:冰跟水一樣透明,那就把光感測器埋進冰裡,看碰撞時的閃光。冰同時是靶,也是發光的介質。
Halzen 1999 年在〈南極之夢〉(Antarctic Dreams)裡回憶這一段(轉引自諾貝爾委員會的科學背景說明):
“I suspect that others must have contemplated the same idea and given up on it. Had I not been completely ignorant of what was then known about the optical properties of natural ice, I would probably have done the same.”
我猜別人一定也想過同樣的點子,然後放棄了。要不是我對當時關於天然冰光學特性的知識一無所知,我大概也會放棄。
他說的是當時大家以為天然冰不夠透明。他剛好不知道這個「常識」,所以沒有被嚇退。
接下來,他寫了一大串電子郵件給 DUMAND 的發言人 Learned。1988 年 6 月,兩人第一次把「用南極的冰當微中子偵測器」寫成論文預印本,同一年在波蘭的一場研討會上發表。
Learned 繼續專心帶領 DUMAND,沒有再回頭做南極的構想。Halzen 一開始也只想做理論。故事本來可能就停在那裡,但這個點子引起很多人的興趣,幾年之內,好幾個機構的研究者聚到 Halzen 身邊,要把它蓋出來。
為什麼是南極點?那裡本來就有研究站,有固定的運補,人可以在那裡工作。冰夠深的地方永遠漆黑;跟海不一樣,冰裡沒有生物來干擾,放射性物質也很少;冰層很穩,站得住人;那一帶的地質穩定,沒有地震。
代價是冷。一年大半時間,人根本進不去也出不來,所有的施工都得擠在南極短短的夏天,每年 11 月到隔年 2 月。
冰裡有氣泡
第一步先在格陵蘭試。1991 年,研究者把光電倍增管放進格陵蘭冰層既有的鑽孔,量到了大氣裡的宇宙射線產生的 μ 子(緲子)在冰裡發出的藍光,證明冰夠透明。
1990 年代初,第一批感測器開始往南極的冰裡放,這就是冰立方的前身 AMANDA。Halzen 回憶過 1993 年的平安夜:他坐在餐桌旁,電腦擱在腿上,等南極傳來消息,告訴他第一條掛著光學模組的纜線已經放進冰裡了。
結果令人失望。第一批 4 串、80 個模組,放在 800 到 1000 公尺深。研究者從一串打光,給 20 公尺外的另一串接,光到得比預期晚很多。冰裡還留著很小的氣泡,大約 0.05 毫米,光一碰就被彈開,往四面八方亂跑,走不到一公尺就轉了方向。這樣一來,就看不出那顆粒子是往哪裡飛的。
1994 年,有人告訴 Halzen 俄國 Vostok 站鑽出來的冰芯資料:氣泡到一公里深還在,但再往下就消失了。1995 年,物理學家 Price 用模型算出原因:深處的壓力很大,氣泡裡的空氣會變成一種叫「空氣水合物」的晶體,大約 1,400 公尺以下,就不再干擾光。
1995 到 1996 年的夏天,AMANDA 把第二批 4 串放到 1500 到 2000 公尺深,證實了這件事。一千多公尺以下的冰,清澈到光可以走上兩、三百公尺才被吸收。研究者也順帶學到了很多南極冰在不同深度的性質。
1998 年 8 月,美國國家科學基金會(NSF)南極科學部門的負責人 Dennis Peacock 來到 Halzen 的辦公室。他曾協助把大約 1,000 萬美元投進這座望遠鏡。Halzen 後來寫,他猜 Peacock 心裡在想:這筆錢會不會像夏威夷外海那個做了將近二十年、最後被放棄的計畫一樣,白花了?
兩人走到一位研究生的桌前。兩位同事熬夜做完分析,她在螢幕上叫出一張圖:一條淡藍色的線,斜斜劃過一排排代表感測器的黑點,沿著線有幾顆點變成了藍、綠、紅色。
那張圖記錄的是 1997 年 10 月 12 日清晨五點。一顆微中子從太平洋中央、中途島和阿留申群島之間進入地球,直直穿過整個地球,在南極冰層的底部撞上一顆質子。地表下兩公里的感測器,看到碰撞產生的閃光往上飛過冰層,大約一微秒,也就是百萬分之一秒。
Halzen 只說這顆微中子「也許」來自宇宙裡某個劇烈的事件。它真正的意義是:AMANDA 能運作。他把圖寄給合作者,其中一位回信,大意是這就是他在這個計畫上花了五年的原因。
AMANDA 一直蓋到 2000 年 1 月。2001 年 3 月,它在《Nature》發表了大氣微中子的結果,證明在冰裡蓋大型偵測器行得通。可是它還不夠大,抓不到宇宙加速器送來的高能微中子。2009 年,AMANDA 除役。
AMANDA 與冰的數字
- 第一批 AMANDA(後來叫 AMANDA-A)在 1993/94 南極夏季放下 4 串、80 個光學模組,深 800–1000 公尺。
- 氣泡大小:諾貝爾科學背景說明寫 50 微米;光在冰裡的有效散射距離不到 50 公分。Spiering 2012 的回顧寫得更細:830 公尺深處約 40 公分、970 公尺深處約 80 公分。
- 光從一串打到 20 公尺外的另一串,原本預期約 100 奈秒到達,實際晚很多(Spiering 2012 的回顧;那一批的冰測量結果發表在 Askebjer 1995)。
- Price 1995:深處的氣泡轉變成空氣水合物晶體,預測約 1,400 公尺以下不再受氣泡散射影響。民眾版說明也寫 1400 公尺以下的冰極為透明。
- 冰到底有多透明,兩份官方文件寫的公尺數不一致(民眾版與科學背景說明用的深度與距離不同),本文只寫兩者涵蓋的「兩、三百公尺」,不寫從多深開始。
- 1997 年 10 月 12 日那個事件、Peacock 的來訪與 1,000 萬美元,出自 Halzen 1999 年的文章〈Antarctic Dreams〉;「1998 年 8 月」是依刊期推算,原文寫的是「去年八月」。
- AMANDA 2001 年《Nature》的結果:大氣微中子,能量 50 GeV 到幾 TeV。
一立方公里的冰,五千多隻眼睛
1999 年,研究團隊向 NSF 提交冰立方的計畫書,Halzen 是計畫主持人。2002 年 3 月經費核准,2004 年開工。
打洞的方法是向冰川學家學來的。民眾版說明形容那是一種講究的「蓮蓬頭」,噴出高壓熱水,把冰融出一個洞。冰立方的洞直徑 60 公分,深 2,450 公尺,平均一個洞要融 48 小時左右,第一個洞花了 57 小時。洞裡灌滿了水,趁它還沒結凍,把一條長纜線慢慢放下去,平均要 11 個小時。之後水重新結凍,感測器就被封在冰裡。
從 2004 年開工到 2010 年,整個工程做了七年,每年只能趁南極夏天的幾個月施工。纜線是 2005 年到 2010 年一串一串放下去的,一共 86 串;2010 年 12 月 18 日,最後一串放進冰裡。2011 年,冰立方全規模開始運轉,此後的運轉時間超過 99%。
每一串掛 60 個感測器,上下間隔 17 公尺,放在地表下 1,450 到 2,450 公尺之間。串和串之間隔 125 公尺,排成六角形。冰裡一共是 5,160 個。再往下,到 2,820 公尺,是冰層底下的岩盤。
每個感測器叫光學模組,外面是一顆直徑 35 公分的玻璃球。球裡朝下裝著一支直徑 25.4 公分(10 吋)的光電倍增管,旁邊還有把訊號整理好、再往上傳的電子零件。Halzen 叫它「反過來的燈泡」:燈泡把電變成光,它把光變成電。

一立方公里的冰有多大?冰立方團隊的說法是,融成水可以裝滿一百萬座游泳池。最淺的那一顆感測器,也在地表下 1,450 公尺。
這座儀器由 NSF 管理。IceCube 官方資料(2025 年 1 月)列出的國際團隊大約 450 人,來自 14 個國家的 58 個機構;諾貝爾科學背景說明也用這組數字。
冰立方的工程數字
- 熱水鑽:孔徑 60 公分、深 2,450 公尺;平均約 48 小時一孔(第一孔 57 小時);每孔融掉超過 75 萬公升的水,用掉約 18,169 公升燃料;放一串纜線平均 11 小時(IceCube 官網)。
- 86 串 × 60 個 = 5,160 個冰中光學模組;地表另有 IceTop,324 個模組組成的空氣簇射陣列,不算在 5,160 裡。
- 光學模組外殼 35 公分是整顆玻璃球;裡面的光電倍增管是 25.4 公分,朝下。
- 目標質量約 10 億噸的冰;南極點的冰整塊每年移動約 10 公尺(IceCube 官網)。
- IceCube Upgrade 已在現有陣列裡加放 5 串新感測器,共 750 個新型光偵測與校正裝置(IceCube 官網)。
一道藍光,怎麼讀出方向和能量
冰立方像一座全黑的體育館,四面八方掛滿五千多個極靈敏的感光器,等某個角落偶爾亮一下。感光器拍不到粒子的樣子,它只記下光在什麼時候到、有多亮;我們在新聞上看到的事件圖,是研究者用這些紀錄重建出來的。
亮起來的時候,研究者讀兩件事。光是先到哪幾顆感測器、後到哪幾顆,時間差排一排,就推得出粒子往哪裡飛。一共收到多少光,就推得出這次碰撞在冰裡留下多少能量;亮得愈多,能量愈大。
光的形狀有兩種。μ 微中子有一種撞法(物理學家叫它「帶電流」作用),會生出一顆 μ 子,在冰裡拉出一條長長的光跡,可以長達好幾公里,像一排路燈從一頭依序亮到另一頭。這種光跡的方向很準;但那顆 μ 子的能量只能估到兩倍以內,微中子本身的能量還得再往回推。
電子微中子和 τ 微中子撞上去,炸出的通常是一團圓圓的光,不到 10 公尺長;τ 微中子能量夠高的時候,偶爾會留下前後兩團光。光團留在冰裡的能量量得很準,方向就粗得多。
真正難的是雜訊。每天有超過一億個從南極上空大氣落下來的粒子,鑽得進感測器所在的深度。每年記錄到的微中子大約 10 萬顆,大多數是宇宙射線撞上大氣時做出來的。真正來自宇宙深處的,一年大約只有 100 顆,一千顆裡挑一顆。
研究者有一招:只挑從地平線底下往上穿的光跡。大氣做出來的 μ 子穿不過整個地球,所以從腳底下往上飛的,一定是微中子先穿過了地球。可是大氣做的微中子也穿得過,每天有幾百顆從北半球穿過整個地球來到冰立方。研究者常常沒辦法替單獨一顆確定出身,就整批看:這一批的能量和方向,比較像大氣做的,還是比較像宇宙來的。
兩種光的解析度
下表的方向誤差,角度愈小,方向推得愈準;能量誤差,數字愈小,能量估得愈準。要注意每一格量的是什麼東西。
| 光跡(track) | 光團(cascade) | |
|---|---|---|
| 誰產生的 | μ 微中子以「帶電流」作用撞擊後生出的 μ 子 | 電子微中子、τ 微中子的帶電流作用;任何一種微中子的「中性流」碰撞也是 |
| 長度 | 可長達好幾公里 | 通常不到 10 公尺(τ 微中子能量夠高時可能有前後兩團) |
| 方向誤差(推回的是微中子的方向) | 約 0.3°(100 TeV 時) | 約 5°(50 TeV 以上) |
| 能量誤差 | 個別 μ 子的能量只能估到相差兩倍以內 | 留在冰裡的能量約 8%(100 TeV 時) |
- 光子數量推的是「留在冰裡的能量」,不完全等於微中子本身的能量;微中子的能量分布要再從這裡推回去(諾貝爾委員會的科學背景說明)。
- 每年約 10 萬顆微中子是指 0.1 TeV 以上;天文來源每年約 100 顆。
2013 年:兩顆意外的大傢伙
研究團隊翻 2010 年 5 月到 2012 年 5 月的資料,原本在找另一種能量更高的微中子,結果意外撞見兩顆微中子,在冰裡留下的能量到了 PeV(千兆電子伏特)等級:1.04 與 1.14 PeV。這兩個數字是它們留在偵測器裡的能量,微中子本身的能量不一定剛好這麼多。團隊替它們取了綽號,叫 Bert 和 Ernie。
這兩顆讓研究者知道該怎麼找。回頭用同一批資料重新篩,一共找到 28 顆高能微中子,能量從 30 TeV 到 1.14 PeV,其中 21 顆是光團、7 顆是光跡。2013 年 11 月,這個結果刊在《Science》,以 4σ 的程度排除了「全部來自大氣」的可能。
σ 讀作 sigma,是物理學家量「統計顯著性」的尺。它回答的問題是:假設資料裡全是背景、根本沒有要找的東西,要碰巧出現這麼明顯的結果,有多難?σ 愈大,愈難用碰巧解釋。它不等於「這件事是真的」的機率,儀器與分析方法的誤差也得另外檢查。物理學界的習慣是,到 5σ 才說「發現」;不到這個門檻的,論文標題常寫的是「證據」(evidence)。2013 年那篇的標題,就是〈冰立方偵測器上的高能地球外微中子證據〉。
2014 年,三年的資料讓顯著性來到 5.7σ。宇宙送來的高能微中子,正式被找到了。
後來的高能微中子
- 2014 年:2010–2013 年的資料,以 5.7σ 排除純大氣的解釋(Aartsen 2014)。
- 2019 年 3 月 31 日記錄到一顆往下走的 μ 微中子,重建能量 11.4 PeV,是冰立方至今發表過能量最高的一顆,2026 年 3 月發表。
- 2024 年:七顆高能 τ 微中子候選事件(Abbasi 2024)。
- 「Bert 和 Ernie」的綽號出自 IceCube 官網 2013 年的新聞;命名由來沒有找到一手來源,本文不寫。
2017 年:一顆微中子,指著一個星系
2017 年 9 月 22 日,冰立方抓到一顆大約 290 TeV 的 μ 微中子,編號 IceCube-170922A。偵測到之後一分鐘內,警報就發給了全世界,各地的望遠鏡跟著轉向那個方向。
那個方向的 0.06 度以內,有一個叫 TXS 0506+056 的耀變體(blazar)。耀變體是極亮的活躍星系核心,而且噴出來的粒子流剛好正對著地球。這一個離地球大約 40 億光年。它當時正在「爆發」,伽瑪射線在那幾個月裡變亮了 7 倍。
研究者再回頭翻冰立方的舊資料,發現 2014 年 9 月到 2015 年 3 月,從同一個方向來過一陣微中子,顯著性是 3.5σ,也還沒到 5σ。
一顆微中子先到,伽瑪射線的望遠鏡隨後看見,那裡正在劇烈地發光。兩種信差,指向同一個地方。
NGC 1068:多出約 79 個,還差一點
2022 年,冰立方在 110 個已知會發出伽瑪射線的天體位置裡,一個一個找有沒有多出來的微中子。其中一個方向特別突出:星系 NGC 1068,也叫 M77。
NGC 1068 在鯨魚座,離地球 4,600 萬光年。它的中心有一個大約 1,500 萬個太陽質量的黑洞,被厚厚的氣體和塵埃包住。從這個方向來的伽瑪射線不多。太空望遠鏡在它看得到的那一段能量量到的伽瑪射線,加起來送來的能量,比微中子少得多;能量更高的伽瑪射線,地面的望遠鏡沒有量到。諾貝爾委員會的科學背景說明認為,這比較像是微中子在黑洞周圍那團充滿輻射的區域裡生出來的。
分析的結果是:從這個方向來的微中子,估計比背景預期多出大約 79 個訊號事件,能量在 1 到 10 TeV 之間。顯著性是 4.2σ。
79 這個數字要讀對。它是用統計估出來的「比背景多出來的」數量,研究者沒辦法一顆一顆指認哪 79 顆來自這個星系;冰立方從那個方向收到的總數也比 79 多。4.2σ 也還沒到 5σ。諾貝爾委員會寫得很清楚:這些證據還不夠有力,還不能確定 NGC 1068 就是微中子的來源。收集到的微中子愈多,愈有機會確認。

讀到微中子來源的消息,可以先找兩個東西:那個數字是總數,還是比背景多出來的估計;顯著性是多少。σ 量的是「假設只有背景時,碰巧出現這種結果有多難」,它不等於來源為真的機率,也取代不了對儀器與分析方法的檢查。NGC 1068 這一筆,兩個答案分別是「比背景多出來的估計」和「4.2σ」;諾貝爾委員會的說法是,還不能確定它就是微中子的來源。
銀河系自己也在發
2023 年,冰立方在《Science》發表:我們自己的銀河系,也在發出高能微中子,顯著性 4.5σ。研究者認為,這些微中子是宇宙射線在銀河系裡撞上星星之間稀薄的氣體時生出來的。資料裡沒有找到單一的點狀來源;訊號符合從整片銀河盤面發出來的樣子,但論文也寫明,可能是許多個太弱、分辨不出來的來源加在一起。
諾貝爾委員會的科學背景說明提到,冰立方今年用 12 年的資料做了新的分析,顯著性到 5.7σ,並把銀河系列為第一個越過 5σ 發現門檻的高能微中子來源。說明裡引用的是這份分析的 arXiv 預印本編號;它後來有沒有正式刊登在期刊上,本文寫作時沒有查到。單一的點狀來源,這次仍然沒有找到。
銀河系那一篇,有台灣的名字
2023 年 7 月 11 日,中央研究院發了一則新聞稿:冰立方那篇銀河系高能微中子的《Science》論文,中研院物理研究所的 Anatoli Fedynitch 帶領團隊參與。論文的作者名單裡,Fedynitch 掛的單位就是中研院物理研究所。
新聞稿寫,他們負責開發大氣中的 μ 子與微中子背景模型:大氣裡的宇宙射線每天做出的那一大堆 μ 子和微中子,該長什麼樣子,用模型算出來。要從資料裡認出銀河系送來的那一份,得先知道背景長什麼樣子。中研院的新聞稿說,這套模型對那篇論文的分析有重要的貢獻。
這座獎頒給 Halzen 一個人。冰立方由一支國際團隊蓋起來、運轉到今天,IceCube 官方資料(2025 年 1 月)列為 14 個國家、58 個機構。台灣在這段故事裡的位置,是銀河系那篇論文作者名單上的一位中研院研究者,和他帶領、負責背景模型的團隊。
下一步:八立方公里,還有湖裡和海裡
冰立方還在繼續收集。南極點的下一期擴建 IceCube-Gen2 正在規劃,要用八立方公里的冰,感測器之間的距離可以從 125 公尺拉到 250 公尺以上。
北半球也有好幾座微中子望遠鏡在蓋,用的是水:西伯利亞的貝加爾湖(Baikal-GVD,一座淡水湖)、地中海的 KM3NeT(法國土倫外海與義大利西西里外海)、南海的 TRIDENT、加拿大溫哥華島外海的 P-ONE。DUMAND 在 1995 年結束了,它留下的經驗,用在這些計畫上。
2025 年,地中海的 KM3NeT 發表了一個極高能的事件,能量比冰立方之前看過的都高。
KM3NeT 那一顆,數字怎麼寫
- KM3NeT 2025 年《Nature》論文的摘要寫:偵測到的那顆 μ 子,能量估計為 120 PeV(誤差 +110/−60 PeV,也就是 60 到 230 PeV;正文另列 90% 信賴區間為 35 到 380 PeV)。因為能量極高、方向接近水平,它最可能是一顆能量更高的微中子在偵測器附近撞擊產生的。
- 常見的「220 PeV」出自同一篇論文的正文,是推估的微中子能量:以這顆 μ 子的能量與誤差為條件,在 KM3NeT 偵測器(ARCA)的模擬裡,並假設入射微中子的能譜與能量的負二次方成正比,能產生這種 μ 子的微中子,能量中位數是 220 PeV;68% 的模擬事件落在 110 到 790 PeV,90% 落在 72 PeV 到 2.6 EeV(即 2,600 PeV)。論文也寫明,μ 子的能量只是微中子能量的下限。120 PeV 是 μ 子,220 PeV 是推估的微中子,兩個數字量的是不同的東西。正文只寫「比冰立方之前看過的都高」。
平安夜的餐桌
1993 年的平安夜,Halzen 坐在餐桌旁,電腦擱在腿上,等一封信告訴他第一條纜線放進冰裡了。那一批放下去的深度,冰裡還有氣泡。
二十四年後,冰裡閃過一道藍光,一分鐘內,警報就傳遍了全世界的望遠鏡。那顆微中子在路上沒有轉彎,也沒有被擋下來,最後在南極兩公里深的冰底下,留下一條光。

時間軸(文字版)
| 年 | 事件 |
|---|---|
| 1912 | Hess 發現宇宙射線(1936 年諾貝爾獎) |
| 1930 | 包立提出微中子,解釋 β 衰變的能量「不見了」 |
| 1956 | Cowan 與 Reines 在核子反應爐旁第一次抓到微中子(Reines 1995 年得獎) |
| 1960 | Markov、Reines、Greisen 各自提出用大量的水偵測微中子 |
| 1960 年代 | Davis 觀測到太陽微中子 |
| 1975 | Reines 與 Learned 發起研討會,DUMAND 的起點 |
| 1987 | 神岡抓到超新星 SN 1987A 的微中子;秋天,Halzen 聽說南極無線電計畫 |
| 1988 年 6 月 | Halzen 與 Learned 第一次提出用南極冰偵測微中子 |
| 1991 | 格陵蘭冰層鑽孔測試,證明冰夠透明 |
| 1993 | DUMAND 在夏威夷外海放下一串感測器,不久故障;年底 AMANDA 第一批纜線放進南極冰裡 |
| 1993–2000 | AMANDA 分期建造;淺層冰有氣泡,改放到 1500–2000 公尺 |
| 1995 | DUMAND 終止 |
| 1997 年 10 月 12 日 | AMANDA 的一個往上穿的事件,證明儀器能運作 |
| 1999 | 冰立方計畫書提交 NSF,Halzen 為計畫主持人 |
| 2002 | NSF 3 月核准經費;Davis 與小柴昌俊獲諾貝爾獎(各四分之一,另一半給 Giacconi) |
| 2004 | 冰立方開工(整個工程 2004–2010,七年) |
| 2005–2010 | 86 串纜線一串一串放進冰裡 |
| 2010 年 12 月 18 日 | 第 86 串、也是最後一串放進冰裡 |
| 2011 | 冰立方全規模運轉 |
| 2013 | 兩顆 PeV 微中子;28 顆高能微中子,4σ |
| 2014 | 三年資料,5.7σ |
| 2015 | 梶田隆章與 McDonald 因微中子振盪獲諾貝爾獎 |
| 2017 年 9 月 22 日 | IceCube-170922A,指向耀變體 TXS 0506+056 |
| 2022 | NGC 1068 方向估計比背景多出約 79 個,4.2σ |
| 2023 | 銀河系高能微中子,4.5σ |
| 2026 | 銀河系 12 年資料分析到 5.7σ(諾貝爾說明引用為 arXiv 預印本);10 月 6 日 Halzen 獨得諾貝爾物理學獎 |
| 未來 | IceCube-Gen2,八立方公里 |
參考文獻
官方文件
- The Royal Swedish Academy of Sciences,Press release: The Nobel Prize in Physics 2026,2026-10-06(PDF 1 頁):https://www.nobelprize.org/
prizes/ physics/ 2026/ press-release/ - The Royal Swedish Academy of Sciences,Popular science background: Ice at the South Pole reveals cosmic particle accelerators,2026(PDF 7 頁;文中引用第 1–7 頁,頁碼為 PDF 閱讀器頁數):https://www.nobelprize.org/
prizes/ physics/ 2026/ popular-information/ - The Nobel Committee for Physics,Scientific Background to the Nobel Prize in Physics 2026,2026-10-06(PDF 20 頁;文中引用第 3–15、17–19 頁,頁碼為 PDF 閱讀器頁數,比印刷頁碼多 2):https://www.nobelprize.org/
prizes/ physics/ 2026/ advanced-information/ - Francis Halzen – Facts – NobelPrize.org:https://www.nobelprize.org/
prizes/ physics/ 2026/ halzen/ facts/ - 諾貝爾官方資料庫(nobelprize.org API),1980–2026 年物理學獎得主與獎金分配,2026-10-06 查詢。「1980 年以來一人獨得只有五次」為本站依此計算。
- The Royal Swedish Academy of Sciences,Popular information: The Nobel Prize in Physics 2015:https://www.nobelprize.org/
prizes/ physics/ 2015/ popular-information/
冰立方官方網站
- IceCube Neutrino Observatory,Quick Facts:https://icecube.wisc.edu/
about-us/ facts/ - IceCube Neutrino Observatory,The IceCube detector:https://icecube.wisc.edu/
science/ icecube/ - IceCube Neutrino Observatory,IceCube reveals interesting high-energy neutrino events(2013 年 Bert 與 Ernie 新聞):https://icecube.wisc.edu/
news/ research/ 2013/ 02/ icecube-reveals-interesting-high-energy-neutrino-events/ - IceCube Neutrino Observatory,Beyond IceCube(IceCube-Gen2 與 IceCube Upgrade 說明頁),2026-10-06 讀取:https://icecube.wisc.edu/
science/ beyond/ - IceCube Neutrino Observatory,Research Highlights(TXS 0506+056 距離約 40 億光年),2026-10-06 讀取:https://icecube.wisc.edu/
science/ research/
歷史與冰的研究
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- Andrés E 等,Observation of high-energy neutrinos using Cerenkov detectors embedded deep in Antarctic ice,Nature 2001;410(6827):441–443,doi:10.1038/35068509
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冰立方的主要結果
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- IceCube Collaboration 等,Multimessenger observations of a flaring blazar coincident with high-energy neutrino IceCube-170922A,Science 2018;361(6398):eaat1378,doi:10.1126/science.aat1378
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- Abbasi R 等,Observation of seven astrophysical tau neutrino candidates with IceCube,Phys Rev Lett 2024;132(15):151001,doi:10.1103/PhysRevLett.132.151001
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- KM3NeT Collaboration,Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT,Nature 2025;638(8050):376–382,doi:10.1038/s41586-024-08543-1
台灣
- 中央研究院,銀河系首張高能微中子影像(新聞稿),2023-07-11:https://www.sinica.edu.tw/
News_Content/ 36/ 1527