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经济学人

中微子:欧洲在地中海打造自己的“冰立方”Neutrinos : l'Europe bâtit son « IceCube » sous la Méditerranée

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10月6日,瑞典皇家科学院将诺贝尔物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑。这位物理学家1944年出生于比利时蒂尔蒙,目前在威斯康星大学麦迪逊分校任教。评委会表彰他对冰立方观测站所作出的关键贡献,以及发现源自天体物理过程的高能中微子。这些基本粒子几乎不与物质发生相互作用,因此极难被探测到。今年该奖项仅授予了一位82岁的科学家。在意大利通过电话接受采访时,哈尔岑表示自己在新闻发布会上感到十分惊喜。

Le 6 octobre, l'Académie royale des sciences de Suède a décerné le prix Nobel de physique à Francis Halzen. Né en 1944 à Tirlemont, en Belgique, ce physicien enseigne à l'université du Wisconsin à Madison. Le comité récompense ses contributions décisives à l'observatoire IceCube et la découverte de neutrinos de haute énergie d'origine astrophysique. Ces particules élémentaires traversent la matière presque sans interagir, ce qui les rend extrêmement difficiles à capter. Le prix n'est attribué cette année qu'à un seul lauréat, âgé de 82 ans. Joint par téléphone en Italie, le physicien a évoqué une grande surprise lors de la conférence de presse.

早在1988年,弗朗西斯·哈尔岑便提出了利用南极冰层作为探测器的设想。当中微子与原子核发生相互作用时,会产生带电粒子并释放出闪光;埋设在透明冰层中的传感器随即记录下这一信号。为安装这些传感器,科研团队利用热水在冰层中钻出深度约2.5公里的孔洞。在启动南极工程前,他们还在格陵兰岛的冰层中测试了传感器的浸入效果。哈尔岑将这些传感器比作“反向灯泡”,它们能将光信号转化为电信号。

Un kilomètre cube de glace instrumentée Francis Halzen présente dès 1988 l'idée d'utiliser la glace du pôle Sud comme détecteur. Lorsqu'un neutrino interagit avec un noyau atomique, il peut produire une particule chargée qui émet un éclair de lumière. Des capteurs plongés dans la glace transparente enregistrent alors ce signal. Pour les installer, les équipes forent à l'eau chaude des puits jusqu'à environ 2,5 kilomètres de profondeur. Avant le chantier antarctique, elles testent l'immersion des capteurs dans la glace du Groenland. Francis Halzen compare ces capteurs à une ampoule inversée, qui transforme la lumière en signal électrique.

据瑞典皇家科学院介绍,冰立方观测站于2011年全面建成,共有5160个传感器分布在86根电缆上。《自然》杂志称,该项目的建设耗资达2.71亿美元。美国国家科学基金会(NSF)提供了主要资金,众多国际机构也参与了资助。2013年,研究团队公布了首批来自太阳系外的高能中微子证据,当时分析的样本数量为28个。

Selon l'Académie royale des sciences, IceCube atteint sa taille complète en 2011, avec 5 160 capteurs répartis sur 86 câbles. D'après la revue Nature, l'instrument a coûté 271 millions de dollars. La Fondation nationale pour la science américaine (NSF) en a assuré l'essentiel du financement, avec des partenaires internationaux. En 2013, l'équipe publie les premiers indices de neutrinos de haute énergie venus de l'extérieur du système solaire. L'analyse porte alors sur 28 événements.

几年后,积累的大量数据进一步证实了这一发现。目前,一个名为“冰立方-二代”的扩建项目正在筹备中,预计将覆盖8立方公里的冰层区域。ORCA与ARCA:地中海上的两台探测器在欧洲,同样的物理现象也在海底发生。KM3NeT望远镜由两台安置在地中海中的探测器组成。第一台名为ORCA,位于土伦海岸外约40公里处,水深约2,450米。

Quelques années plus tard, les données accumulées confirment la découverte. Une extension, baptisée IceCube-Gen2, est désormais en préparation. Elle couvrirait huit kilomètres cubes de glace. ORCA et ARCA, deux détecteurs en Méditerranée En Europe, la même physique se joue sous la mer. Le télescope KM3NeT réunit deux détecteurs immergés en Méditerranée. Le premier, ORCA, repose à environ 2 450 mètres de profondeur, à 40 kilomètres au large de Toulon.

它主要用于研究中微子的基本特性,尤其是其质量排序。据项目团队预测,该探测器完全建成后每年可记录约5万个大气中微子。第二台探测器名为ARCA,安装在西西里岛附近,水深约3,450米,专门用于探测能量极高的宇宙中微子。

Il étudie surtout les propriétés fondamentales des neutrinos, notamment l'ordre de leurs masses. Selon les projections de la collaboration, il doit enregistrer environ 50 000 neutrinos atmosphériques par an une fois achevé. Le second, ARCA, est installé au large de la Sicile, à environ 3 450 mètres de fond. Il traque, lui, les neutrinos cosmiques de très haute énergie.

“最终,ARCA将配备230条探测线,ORCA则会有115条。”ARCA的探测线高度达700米,彼此间距约为100米;ORCA的探测线高度则为200米,间距仅20米,排列更为密集。作为项目合作伙伴的马克斯·普朗克射电天文学研究所指出,整个KM3NeT项目将使用约20万个光电倍增管。

“À terme, ARCA comptera 230 lignes de détection et ORCA 115.”Les lignes d'ARCA mesurent 700 mètres de haut et sont espacées d'environ 100 mètres. Celles d'ORCA, plus serrées, s'élèvent sur 200 mètres avec un espacement de 20 mètres. Selon l'Institut Max-Planck de radioastronomie, partenaire du projet, KM3NeT mobilisera au total environ 200 000 photomultiplicateurs.

2025年2月,该项目团队在《自然》杂志上公布了重要发现:2023年2月13日,ARCA记录到了一个能量约为220拍电子伏特(PeV)的中微子事件。这是迄今为止观测到能量最高的中微子。当时该探测器尚在建设阶段。时任项目发言人帕斯卡尔·科伊尔是马赛粒子物理中心(CPPM)的研究员,该中心隶属于法国国家科学研究中心(CNRS)及艾克斯-马赛大学。

En février 2025, la collaboration a publié dans Nature un résultat inédit. ARCA avait enregistré le 13 février 2023 un événement correspondant à un neutrino estimé à environ 220 pétaélectronvolts (PeV). Il s'agit du neutrino le plus énergétique jamais observé. Le détecteur était alors encore en construction. Paschal Coyle, porte-parole de la collaboration à l'époque, est chercheur au Centre de physique des particules de Marseille (CPPM).

这项工程预计将持续到2030年代初。目前,建设工作正分阶段在海上推进。2026年7月初,图卢兹近海区域又安装了四台新的探测装置。在KM3NeT合作项目的框架下,ORCA目前共拥有42台探测装置。此次安装作业动用了两艘船只,其中一艘配备了远程操控的水下机器人。2026年3月,一份提交给法国国家科学研究中心下属的核物理与粒子物理研究所科学委员会的报告明确了工程进度安排。

Ce laboratoire dépend du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et d'Aix-Marseille Université. Un chantier jusqu'au début des années 2030 La construction progresse par campagnes en mer. Début juillet 2026, quatre nouvelles unités de détection ont été installées au large de Toulon. Selon la collaboration KM3NeT, ORCA compte depuis 42 unités. L'opération a mobilisé deux navires, dont l'un équipé d'un robot sous-marin téléopéré. En mars 2026, un rapport présenté au conseil scientifique de l'IN2P3 dressait le calendrier.

该报告指出,ARCA项目计划安装51台探测装置;同时预计在2026年10月再部署6台ORCA装置。整个ORCA项目预计于2030年左右完工,ARCA项目则计划于2032年完成。报告还显示,在既定预算范围内,108台预定安装的ORCA装置中已有94台的资金保障问题得到解决。该基础设施还配备了专门用于海洋与地球科学研究的各类仪器。

Cet organisme est l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules, rattaché au CNRS. Il recensait alors 51 lignes pour ARCA. Le document prévoyait le déploiement de six unités ORCA en octobre 2026. Il vise un achèvement d'ORCA vers 2030 et d'ARCA vers 2032. Pour ORCA, il indique un financement assuré pour 94 des 108 unités prévues dans le cadre budgétaire considéré. L'infrastructure accueille aussi des instruments dédiés aux sciences de la mer et de la Terre.