Zusammenfassung:
Der Nobelpreis für Physik 2026 wurde bekannt gegeben! Francis Halzen, ein in Belgien geborener theoretischer Physiker und Professor an der University of Wisconsin-Madison, hält die gesamte Nobelpreis-Trophäe allein. Der Grund für die Auszeichnung war die Anerkennung seines „entscheidenden Beitrags zum IceCube-Neutrino-Observatorium und der Entdeckung hochenergetischer Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen“. Das Preisgeld von 12 Millionen schwedischen Kronen gehört ihm!
Die chinesischen Physiker Xue Qikun und Ye Jun, die vor dem Spiel zwei Nobelpreisträger gewonnen hatten, konnten dieses Mal nicht gewinnen.
Dieser Preis geht vollständig an einen theoretischen Physiker, der einst von allen als „Verrückter“ angesehen wurde.
Das letzte Mal, dass der Physikpreis an nur eine Person verliehen wurde, war im Jahr 1992. Es gab eine Lücke von 34 Jahren.
Weil er vor 38 Jahren eine verrückte und unglaubliche Idee vorschlug:
Gehen Sie zum Südpol, dem kältesten und verzweifeltsten Ort der Erde, und bohren Sie einen ganzen Kubikkilometer aus einem zehntausend Jahre alten Gletscher heraus und verwandeln Sie ihn in ein Superteleskop, das mysteriöse Teilchen tief im Universum einfängt!
Später erinnerte er sich an diesen vergangenen Vorfall und sagte ganz offen: „Ich schätze, andere hatten die gleiche Idee und gaben dann auf. Wenn ich damals nichts über die optischen Eigenschaften von Natureis wüsste, würde ich wahrscheinlich auch aufgeben.“
Heute hat diese Idee nicht nur die Dimension der menschlichen Beobachtung des Universums verändert, sondern endlich den höchsten Glanz der Physik erreicht.
Mit diesem tief unter dem Eis vergrabenen „Eiswürfel“ hat die Menschheit erstmals bestätigt:
Es fliegen hochenergetische Neutrinos von weit außerhalb des Sonnensystems!
Noch interessanter ist, dass der Nobelpreis für Physik vor zwei Jahren an Hopfield und Hinton verliehen wurde, die den Grundstein für maschinelles Lernen legten.
Und eine der auffälligsten Entdeckungen dieses Untereis-Teleskops, das Neutrinobild unserer Milchstraße, wurde mithilfe maschinellen Lernens aus riesigen Datenmengen gewonnen.
Der „Geist“ im Universum: Neutrinos
Zuerst müssen wir den heutigen Protagonisten kennenlernen – das Neutrino.
Offizielle Illustration des Nobelpreises: Neutrinos fliegen in einer geraden Linie und dringen in das antarktische Eis ein
Es hat keine elektrische Ladung, hat fast keine Masse und interagiert kaum mit Materie. Bekannt als „Kosmischer Geist“. In diesem Moment passieren etwa 65 Milliarden Neutrinos der Sonne Ihre Fingernägel.
Warum müssen Wissenschaftler danach suchen? Denn Neutrinos sind die perfektesten „Boten“ im Universum.
Im Gegensatz zu Licht und kosmischer Strahlung wird es nicht von Magnetfeldern beeinflusst und breitet sich in einer absolut geradlinigen Linie aus; Gleichzeitig verfügt es über eine extrem starke Durchschlagskraft und wird weder durch Staubwolken noch durch Strahlung blockiert.
Selbst am Rande eines supermassereichen Schwarzen Lochs tief im Universum können hochenergetische Neutrinos, solange sie erzeugt werden, in einer geraden Linie über Hunderte von Millionen Lichtjahren fliegen und der Erde ursprüngliche Informationen über extreme Ereignisse im Universum „ausdrücken“.
Wenn Menschen diese hochenergetischen Neutrinos einfangen können, ist das gleichbedeutend damit, dass sie über ein Paar „durchsichtiger Augen“ verfügen, die durch das Universum sehen können und es ihnen ermöglichen, „CT-Scans“ des Universums durchzuführen.
Kosmische Strahlung wird durch das Magnetfeld abgelenkt, Gammastrahlung wird durch Staub blockiert und Neutrinos fliegen geradlinig zur Erde
Eine extrem verrückte Idee – in die Antarktis gehen, um Eis zu schneiden!
Das Problem ist, dass es so schwer zu fangen ist.
Die überwiegende Mehrheit der Neutrinos passiert den Detektor direkt. Wenn die Anzahl der Neutrinos groß genug ist und das von uns vorbereitete Ziel (Nachweismedium) dick genug und zahlreich genug ist, wird es immer ein paar Neutrinos geben, die den Zielkern „treffen“.
Um genügend Kollisionen wie diese zu haben, müsste der Detektor lächerlich groß sein.
Wenn hochenergetische Neutrinos in einem Medium heftig kollidieren, entstehen geladene Teilchen (z. B. Myonen).
Die Geschwindigkeit dieser geladenen Teilchen, die sich durch das Medium bewegen, wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Medium überschreiten und so ein optisches Phänomen erzeugen, das einem „Überschallknall“ ähnelt – Cherenkov-Strahlung, die ein schwaches blaues Licht aussendet.
Solange wir genügend und empfindliche optische Sensoren in einer extrem dunklen Umgebung platzieren, um dieses blaue Licht einzufangen, können wir die Richtung ableiten, in die die Neutrinos fliegen.
Zuerst wollten Wissenschaftler Meerwasser als Medium verwenden. Aber Biolumineszenz in der Tiefsee (z. B. bei Quallen) und natürliche radioaktive Materialien können viel Lärm erzeugen.
Zu dieser Zeit erschien Francis Halzen.
Francis Halzen, dieses Jahr 82 Jahre alt
Als er in den 1980er Jahren die kosmische Strahlung untersuchte, hörte er die Nachricht, dass sowjetische Wissenschaftler planten, in der Antarktis Neutrinosignale mithilfe von Radioempfängern zu erfassen.
Plötzlich schoss Halzen eine wundervolle Inspiration durch den Kopf: Warum gehen wir ans Meer? Warum nicht einfach antarktisches Eis verwenden?
Der antarktische Eisschild hat einzigartige Vorteile:
Groß genug
: Es gibt unzählige natürliche Eisschichten, die den Anforderungen für den Bau von Superdetektoren voll und ganz gerecht werden.Dunkel genug und rein genug
: Tief im Eis herrscht absolute Dunkelheit, ohne leuchtende Lebewesen und ohne Störungen durch komplexe Meeresströmungen.Absolute Stabilität des Festkörpers
: Frieren Sie die Sensoren in Eis ein und sie bleiben für immer absolut ruhig, was für die genaue Berechnung der Partikelflugbahnen von entscheidender Bedeutung ist.1988 schlugen Halzen und sein Kollege John G. Learned offiziell die Idee vor, ein Neutrino-Observatorium unter dem antarktischen Eis zu bauen.
Zuerst klang die Idee wie Science-Fiction. Aber Harzen setzte sich überall dafür ein, stellte schließlich ein Team zusammen und begann die härtesten „Polarunternehmer“-Jahre in der Geschichte der Menschheit.
Ein Kubikkilometer „Ice Cube“ und Rückfahrscheinwerferbirne
Der Bau eines Observatoriums in der Antarktis ist keineswegs so einfach wie das Aufstellen eines Zeltes.
1993 startete Halzens Team einen Vorversuch in der Antarktis (AMANDA-Projekt).
Zuerst erlebten sie große Rückschläge: Das flache Eis war mit Blasen gefüllt und Licht konnte überhaupt nicht durchdringen. Aber sie gaben nicht auf und Glaziologen wiesen darauf hin, dass der starke Druck die Blasen in das Kristallgitter des Eises quetschen würde, je tiefer sie gruben.
Tatsächlich geschah ein Wunder, als sie unterhalb von 1.400 Metern bohrten – das Eis war hier extrem rein und transparent. Der durch die Kollision von Neutrinos erzeugte blaue Blitz kann ungehindert Hunderte Meter Eis durchdringen!
Mit Unterstützung der National Science Foundation (NSF) wurde 2004 offiziell mit dem Bau von IceCube begonnen. Es handelt sich um ein Wunderwerk der Ingenieurskunst.
Ingenieure verwendeten Hochdruck-Heißwasserbohrer, um vertikale Bohrlöcher mehr als zwei Kilometer tief in der extrem kalten Eisdecke der Antarktis zu schmelzen.
Jedes Mal, wenn ein Brunnen gebohrt wird, müssen sie gegen die Zeit antreten, um ein extra langes Kabel voller fortschrittlicher optischer Sensoren auf den Boden des Brunnens zu versenken, bevor das Wasser wieder gefriert.
Sie verlegten insgesamt 86 solcher Kabel; An den Kabeln hingen bis zu 5.160 Kugelsensoren.
Harzen beschrieb diese Sensoren einmal humorvoll als „umgekehrte Glühbirnen“ – diese Sensoren fangen schwache Photonen ein, wandeln sie in elektrische Signale um und übertragen sie zurück an die Oberfläche.
Die Kabel sind in einer riesigen sechseckigen Anordnung angeordnet und bedecken das Eis in einer Tiefe von 1.450 bis 2.450 Metern. Auf diese Weise umkreisten Wissenschaftler ein ganzes Stück reines Eis mit einem Volumen von einem Kubikkilometer und einem Gewicht von einer Milliarde Tonnen im Inneren des antarktischen Eisschildes. Das ist der „Eiswürfel“.
Im Jahr 2011, als das letzte Kabel verlegt war, wurde das größte „Teleskop“ der Erde offiziell fertiggestellt.
Im Ice-Cube-Labor am Südpol werden hier Signale unter dem Eis gesammelt und dann über Satelliten ausgesendet
Es blickt nicht in den Sternenhimmel, sondern ist tief unter der Erde vergraben; Es sammelt kein sichtbares Licht, sondern lauscht Tag und Nacht auf die Schritte kosmischer Geister.
Eiswürfel-Diagramm: Neutrinos treffen auf Atomkerne im Eis, der Lichtblitz wird von einer Reihe von Sensoren aufgezeichnet
Von 100 Millionen falschen Signalen pro Tag sind 100 wahr
Der Bau eines Teleskops ist nur der Anfang. Die eigentliche Schwierigkeit besteht darin, kosmische Neutrinos anhand der Daten zu identifizieren.
Kosmische Strahlung dringt in die Atmosphäre über der Antarktis ein und täglich dringen mehr als 100 Millionen Partikel in das Eis ein und werden von Sensoren erfasst.
Neuttrinos werden auch in der Atmosphäre erzeugt. IceCube zeichnet jedes Jahr etwa 100.000 Neutrinos auf, die meisten davon werden in der Erdatmosphäre produziert.
Theoretischen Erwartungen zufolge kommen pro Jahr nur etwa 100 wirklich aus den Tiefen des Universums.
Im Jahr 2013 kam ein historischer Durchbruch!
Im Jahr 2013 suchte das Team in Daten aus zwei Jahren nach einem Neutrinotyp höherer Energie und stieß auf zwei Ereignisse mit Energien über 1 PeV, nämlich 1,04 PeV und 1,14 PeV. Dies ist die erste bestätigte Entdeckung hochenergetischer astrophysikalischer Neutrinos von außerhalb des Sonnensystems.
Diese jahrzehntelange interstellare Jagd hat endlich Früchte getragen.
Das Team passte die Analysemethode an diese beiden Ereignisse an und fand 28 hochenergetische kosmische Neutrinos im selben Datenstapel. Im Jahr 2014 erreichte die statistische Signifikanz 5,7σ und Erklärungen rein atmosphärischer Quellen wurden ausgeschlossen.
Am 22. September 2017 fing IceCube ein Neutrino von etwa 290 TeV ein. Innerhalb einer Minute wurde eine Warnung an die Welt gesendet.
Teleskope auf der ganzen Welt konzentrierten sich sofort auf diese Koordinate, und das Ergebnis war haarsträubend: Es gab einen Blazar (TXS 0506+056), der wie verrückt explodierte – eine aktive Galaxie mit einem supermassereichen Schwarzen Loch in seinem Zentrum!
Dies ist das erste Mal, dass Menschen hochenergetische Neutrinos mit einer exakten kosmischen Quelle in Verbindung bringen.
Im Jahr 2022 fand IceCube 79 Neutrinos aus der Richtung der aktiven Galaxie NGC 1068. Das supermassereiche Schwarze Loch dort ist in dickes Gas und Staub gehüllt und die gemessenen Gammastrahlen sind sehr schwach, aber es kommen Neutrinos heraus.
Im Jahr 2023 sah IceCube zum ersten Mal unsere eigene Milchstraße in Neutrinos.
Was diesmal den Unterschied machte, war maschinelles Lernen. IceCube-Mitarbeiter an der Technischen Universität Dortmund in Deutschland haben eine Methode des maschinellen Lernens entwickelt, um die „Kaskade“ von Ereignissen, die durch Neutrino-Einschläge erzeugt werden, herauszufiltern und gleichzeitig deren Richtung und Energie zu rekonstruieren.
Nach der Verwendung der neuen Methode wurden mehr als eine Größenordnung mehr Neutrino-Ereignisse gespeichert und die Suchempfindlichkeit wurde auf das Dreifache des Originals erhöht. Das Team nutzte etwa 60.000 Neutrinos aus Daten aus zehn Jahren, um herauszufinden, wie die Milchstraße aussieht.
Halzen sagte damals:
Interessanterweise sind Neutrinos im fernen Universum im Gegensatz zu anderen Lichtwellenlängen heller als nahegelegene Quellen in unserer Galaxie.
Anfang dieses Jahres nutzte IceCube Daten aus 12 Jahren, um das Signal der Milchstraße auf 5,7σ zu steigern. Damit ist die Milchstraße die erste hochenergetische Neutrinoquelle, die die 5σ-Entdeckungsschwelle überschritten hat.
Kurz vor der Bekanntgabe dieses Nobelpreises im Jahr 2026 veröffentlichte das IceCube-Team ein Blockbuster-Ergebnis: Sie konnten endlich deutlich das hochenergetische Neutrino-Glühen sehen, das von der Milchstraße selbst emittiert wird! Das bedeutet, dass wir Neutrinos endlich als Pinsel nutzen, um einen neuen Blick auf die Milchstraße zu werfen.
Eröffnen Sie im Alleingang eine neue Ära des „Multi-Messenger“
Jetzt hat dieser sture alte Mann, der seit den 1980er Jahren davon besessen ist, Geister mit Eis zu fangen, endlich seinen Krönungsmoment eingeläutet.
Mark Pearce, Vorsitzender des Nobelpreiskomitees für Physik, kommentierte——
Das internationale Team unter der Leitung von Francis Halzen hat uns ein wunderbares Instrument zur Verfügung gestellt. Seine Hartnäckigkeit und sein wissenschaftlicher Weitblick ebneten den Weg für eine völlig neue Art der Astronomie.
Ja, dies ist der Beginn der Ära der „Multi-Messenger-Astronomie“.
Wenn wir heute in den Sternenhimmel blicken, können wir nicht nur mit Licht „sehen“ und mit Gravitationswellen „hören“, sondern wir können auch die von IceCube eingefangenen hochenergetischen Neutrinos nutzen, um direkt durch den heftigsten dunklen Kern im Universum zu „durchschauen“.
Aktuell ist der um das Achtfache erweiterte „Ice Cube-Gen2“ in Planung.
Im Mittelmeer, im Pazifischen Ozean und in Chinas „TRIDENT“-Projekt im Südchinesischen Meer entsteht langsam ein globales Neutrino-Einfangnetzwerk.
In diesem Moment sind die 65 Milliarden Neutrinos, die durch Ihre Fingernägel fliegen, durch die endlose Leere gereist, haben die Wechselfälle des Lebens durchlaufen und sind direkt auf die Erde gestürzt.
Am südlichsten Punkt der Erde wartet eine Gruppe romantischer und verrückter Erdbewohner in einem Kubikkilometer dunklem, reinem Eis mit weit geöffneten Augen nur auf diesen atemberaubenden Blick, der Hunderte Millionen Jahre umspannt.
Dies ist möglicherweise die extremste Liebesgeschichte der menschlichen Erforschung des Universums.
Lassen Sie uns den Nobelpreisträger für Physik des Jahres 2026, Francis Hartzen, würdigen!
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