Usaha IceCube Universiti Chiba Membantu Francis Halzen Meraih Hadiah Nobel Fizik 2026

Pasukan IceCube Tunggal Jepun Berkongsi Kejayaan Global

Francis Halzen, 82, dari Universiti Wisconsin–Madison telah dianugerahkan Hadiah Nobel Fizik 2026 atas sumbangannya kepada Balai Cerap Neutrino IceCube dan penemuan zarah bertenaga tinggi yang tiba dari sumber kosmik jauh. Pengumuman pada 6 Oktober itu turut mengiktiraf usaha saintifik yang disertai Universiti Chiba, satu-satunya institusi Jepun dalam kerjasama tersebut, sejak 2002.

Akademi Sains Diraja Sweden menyatakan dalam pengumuman Hadiah Nobel bahawa Halzen diberi penghormatan "atas sumbangan penting kepada Balai Cerap Neutrino IceCube dan penemuan neutrino bertenaga tinggi yang berasal daripada astrofizik." Hadiah itu bernilai 12 juta kronor Sweden.

Sumbangan Chiba merangkumi usaha mengenal pasti isyarat neutrino kosmik pertama hingga membina instrumen yang kini tertanam di bawah Kutub Selatan. Para penyelidiknya membantu mengaitkan neutrino dengan galaksi jauh, mengambil bahagian dalam pengesanan pertama interaksi antineutrino yang jarang berlaku, serta menghasilkan kira-kira 40 peratus daripada lebih 600 pengesan optik yang dipasang dalam penaiktarafan terkini IceCube.

Profesor universiti itu, Shigeru Yoshida, 60, pengarah Pusat Antarabangsa Astrofizik Hadron, dan Aya Ishihara, 52, menyambut baik anugerah tersebut dalam sidang media pada 6 Oktober di kampus Nishichiba di bandar Chiba. Ishihara menyertai sidang itu secara dalam talian dari Nagoya.

Hadiah Nobel menamakan Halzen secara individu. Namun, pencapaian balai cerap itu terhasil daripada usaha antarabangsa yang melibatkan kira-kira 450 saintis di 58 institusi di 14 negara. Peranan Chiba menunjukkan bagaimana sebuah kumpulan penyelidikan kecil menjadi penting dalam mentafsir cerapan dan mereka bentuk peralatan generasi seterusnya.

Daripada Idea 1988 kepada Balai Cerap Satu Kilometer Padu

Halzen mula membentangkan visinya untuk menggunakan ais Kutub Selatan bagi mengesan neutrino pada 1988. Beliau dilahirkan di Tienen, Belgium, pada 1944, memperoleh ijazah doktor falsafah di KU Leuven pada 1969 dan menjadi profesor di Wisconsin–Madison. Cadangannya memerlukan penggunaan ruang ais semula jadi yang sangat luas sebagai pengesan zarah, bukannya membina bekas makmal konvensional.

Balai cerap yang siap dibina itu menggunakan satu kilometer padu ais di bawah Stesen Kutub Selatan Amundsen–Scott. Susunan asalnya mengandungi 5,160 modul optik yang ditempatkan pada 86 kabel, dengan 60 modul pada setiap kabel.

Pembinaan bermula pada 2004. Sumber berbeza memberikan tarikh siap yang berlainan: sejarah projek Chiba menyatakan pembinaan berakhir pada Disember 2010, manakala pengumuman Nobel menyebut IceCube siap pada 2011. Kesemua 86 rentetan mula beroperasi sepenuhnya pada 2011, membezakan penghujung kerja pemasangan daripada permulaan cerapan menggunakan susunan lengkap itu.

Kos pembinaan asal dilaporkan sebanyak AS$271 juta, dengan Yayasan Sains Kebangsaan Amerika Syarikat menyediakan sebahagian besar pembiayaan. Dalam kenyataan anugerahnya, NSF menyatakan pihaknya melabur dalam reka bentuk, pembinaan dan operasi IceCube selama lebih dua dekad. Program Antartika Amerika Syarikat menyokong pembinaan di stesen terpencil itu.

Mark Pearce, pengerusi Jawatankuasa Nobel Fizik, memuji kepimpinan Halzen dalam merealisasikan idea itu menjadi balai cerap yang berfungsi.

Francis Halzen telah memimpin pasukan antarabangsa yang terdiri daripada penyelidik dan jurutera, yang menyediakan instrumen hebat untuk kita. Ketekunan dan visi saintifiknya membuka jalan kepada satu bentuk astronomi baharu.

Bagaimana Ais Mengesan Zarah yang Biasanya Menembusi Bumi

Neutrino tidak mempunyai cas elektrik dan amat jarang berinteraksi dengan jirim. Kebanyakannya menembusi Bumi tanpa meninggalkan kesan yang dapat dikesan. Hal ini menyukarkan pemerhatian, namun menjadikannya pembawa maklumat yang berguna: medan magnet tidak membengkokkan laluannya seperti yang berlaku pada zarah kosmik bercas.

Pengesan itu tidak merakam imej neutrino secara langsung. Apabila neutrino sekali-sekala berinteraksi dengan nukleus atom atau elektron, ia menghasilkan zarah bercas. Zarah-zarah itu boleh memancarkan cahaya Cherenkov, iaitu sinaran samar yang terhasil apabila zarah bercas bergerak melalui sesuatu bahan lebih laju daripada cahaya bergerak dalam bahan tersebut.

Penderia optik IceCube merekodkan masa dan kecerahan cahaya itu. Penyelidik menggunakan ukuran tersebut untuk menganggarkan tenaga dan arah zarah yang tiba. Ruang yang sangat luas mengimbangi kelangkaan interaksi neutrino.

Penerangan projek IceCube oleh Chiba menyatakan modul asal ditempatkan pada kedalaman antara 1,450 hingga 2,450 meter. Sumber lain menggunakan julat lebih luas, termasuk 1,400 hingga 2,600 meter. Penaiktarafan terkini melibatkan penggerudian hingga kedalaman 2,600 meter, iaitu kedalaman pembinaan yang tidak harus disamakan dengan lokasi penderia asal.

Modul itu mengandungi tiub fotopendarab, iaitu peranti yang menukarkan kilatan cahaya kecil kepada isyarat elektrik yang boleh diukur. Hamamatsu Photonics yang berpangkalan di Hamamatsu, Jepun, membangunkan tiub yang digunakan dalam pengesan IceCube, sekali gus memberi industri Jepun peranan bersama penyelidik universiti.

Mengesan cahaya hanyalah langkah pertama. Juan Carlos Díaz Vélez, yang bekerja di Pusat Astrofizik Zarah IceCube Wisconsin dan menyelaraskan pemprosesan data serta simulasi, berkata IceCube mengesan lebih sejuta muon yang dijana sinar kosmik bagi setiap neutrino yang dikesannya. Muon ialah zarah bercas yang turut boleh meninggalkan jejak terang, lalu menghasilkan latar belakang besar yang perlu dibezakan daripada peristiwa neutrino.

Menurut Díaz Vélez, pemprosesan cerapan dan penghasilan simulasi menggunakan kira-kira 10,000 teras CPU dan 1,000 unit pemprosesan grafik dalam rangkaian pengkomputeran teragih. NSF turut menyatakan kemudahan pengkomputerannya membantu penyelidik mentafsir ukuran IceCube.

Isyarat Pertama Chiba dan Tarikh Penemuan

Universiti Chiba menyatakan kumpulannya menyertai projek itu ketika kerjasama IceCube dibentuk pada 2002. Yoshida sudah mengenali Halzen sejak 1990-an, namun penyertaan dalam projek tersebut membawa ketidakpastian yang besar. Dalam maklum balas terhadap anugerah itu, beliau mengenang skeptisisme meluas tentang kemungkinan neutrino menjadi alat praktikal untuk memerhati alam semesta bertenaga tinggi.

Ishihara menyertai kumpulan Wisconsin pada Januari 2005 selepas menamatkan pengajian doktor falsafahnya pada 2004, dan memindahkan pangkalan penyelidikannya ke Chiba pada 2006. Beliau menggambarkan pasukan dengan bilangan kakitangan dan dana yang terhad, yang membangunkan strategi analisis sendiri untuk memberikan sumbangan tersendiri dalam kerjasama yang jauh lebih besar.

Strategi itu membantu mengenal pasti dua peristiwa yang mempunyai tenaga amat tinggi. Sejarah terperinci projek Chiba menetapkan tarikhnya pada Ogos 2011 dan Januari 2012, dengan tenaga yang diukur masing-masing sebanyak 1.04 ± 0.16 dan 1.14 ± 0.17 petaelektronvolt. Satu petaelektronvolt, atau PeV, bersamaan satu kuadrilion elektronvolt, unit yang digunakan untuk mengukur tenaga zarah.

Universiti itu membentangkan dapatan awal pada persidangan antarabangsa pada Jun 2012. Makalah diterbitkan dalam Physical Review Letters pada Julai 2013, diikuti analisis yang lebih luas dalam Science pada Disember 2013. Susunan peristiwa ini menjelaskan mengapa Chiba menyifatkannya sebagai penemuan pada 2012, sedangkan NSF dan pengumuman Nobel IceCube merujuk dapatan penting itu pada 2013.

Laporan berbeza tentang masa pengesanan dua peristiwa awal itu: satu sumber meletakkan pengesanannya pada 2013 dan 2014, manakala catatan terperinci Chiba menetapkannya pada 2011 dan 2012. Sejarah universiti itu turut memuatkan rumusan tenaga yang berbeza, tetapi catatan bagi setiap peristiwa memberikan nilai dan ketidakpastian seperti di atas.

Analisis lanjut menambah 26 peristiwa kepada dua peristiwa awal itu. Menurut catatan Chiba, kira-kira 11 peristiwa latar belakang dijangka daripada keseluruhan 28 peristiwa, manakala tenaga, bentuk dan arah ketibaannya menyokong asal-usul kosmik dengan keyakinan statistik melebihi empat sisihan piawai.

Chiba membandingkan julat tenaga baharu itu dengan neutrino yang diperhatikan oleh Kamiokande pada 1987, dan menyifatkannya meningkat kira-kira 100 juta kali ganda. NSF menggunakan kenyataan lebih umum bahawa neutrino yang dikesan membawa tenaga lebih sejuta kali ganda berbanding neutrino yang diperhatikan sebelum ini. Perbandingan itu menggunakan titik rujukan berbeza dan tidak harus dianggap sebagai ukuran yang sama.

Menjejaki Neutrino Kembali ke Galaksi Jauh

Penemuan neutrino kosmik membuktikan bahawa pemecut zarah semula jadi menghasilkannya. Untuk mengenal pasti sumbernya, satu lagi langkah diperlukan: menggabungkan anggaran arah ketibaan neutrino dengan cerapan daripada instrumen lain.

Pada 22 September 2017, waktu Jepun, IceCube mengesan peristiwa yang dikenali sebagai IC170922A. Satelit sinar gama dan teleskop optik menindaklanjuti amaran itu, lalu mengaitkan peristiwa tersebut dengan TXS 0506+056, sebuah blazar yang dikaitkan dengan lohong hitam supermasif. Dapatan itu diumumkan dan diterbitkan dalam Science pada 2018.

Blazar ialah nukleus galaksi aktif yang pancutan berkuasanya menghala ke Bumi. Laporan asal menyifatkan dapatan 2018 itu sebagai bukti bahawa neutrino berkenaan mungkin berasal daripada blazar tersebut. Chiba menyebutnya sebagai pengenalpastian pertama sumber neutrino, manakala NSF menyifatkan dapatan 2018 itu sebagai bukti muktamad bahawa neutrino datang daripada lohong hitam supermasif di galaksi lain.

Hubungan itu bergantung pada kaedah yang disebut oleh penyelidik sebagai astronomi multimessenger: mengkaji aktiviti kosmik yang sama melalui isyarat berlainan, dalam kes ini neutrino dan beberapa bentuk sinaran elektromagnet. Neutrino memberikan maklumat yang tidak dapat diperoleh melalui cahaya sahaja, sementara cerapan teleskop membantu mengenal pasti objek yang berada pada arah tersebut.

Yasushi Fukazawa, profesor Universiti Hiroshima yang pakar dalam cerapan alam semesta bertenaga tinggi, memuji sumbangan Chiba dalam pembangunan dan pemasangan pengesan, serta sistem yang segera menyebarkan maklumat neutrino kepada balai cerap di seluruh dunia. Sistem amaran itu membolehkan pemerhatian susulan diselaraskan.

IceCube kemudian melaporkan bukti pelepasan neutrino daripada sebuah lagi galaksi, NGC 1068, yang turut dikenali sebagai Messier 77. Pada 2023, menurut NSF, IceCube mengumumkan cerapan neutrino dari Bima Sakti, menghasilkan imej pertama galaksi kita berdasarkan neutrino. Perkembangan ini membawa eksperimen tersebut melangkaui pengesanan zarah terpencil ke arah pemetaan sumbernya.

Interaksi Antineutrino yang Jarang Berlaku Menguji Fizik Zarah

Chiba turut menyumbang kepada dapatan yang diterbitkan dalam Nature pada 2021: pengesanan pertama resonans Glashow melalui antineutrino elektron. Antineutrino ialah pasangan antimateri bagi neutrino.

Resonans Glashow ialah interaksi yang diramalkan berlaku apabila antineutrino elektron berlanggar dengan elektron lalu menghasilkan boson W, zarah yang terlibat dalam daya lemah. Pemerhatian itu menguji ramalan Model Piawai, iaitu teori yang menerangkan zarah asas yang diketahui dan interaksinya.

Pencapaian ini memberi IceCube dua tujuan yang saling berkaitan. Ia boleh menyiasat persekitaran kosmik yang menghasilkan zarah bertenaga tinggi, selain menggunakan zarah tersebut untuk menguji fizik asas pada tenaga yang sukar dikaji menggunakan pemecut buatan manusia.

Takaaki Kajita, profesor Universiti Tokyo yang berkongsi Hadiah Nobel Fizik 2015 atas penemuan ayunan neutrino, menyambut baik anugerah Halzen. Kajita menyifatkan IceCube sebagai langkah yang lama dinantikan untuk memahami asal-usul sinar kosmik dan cara zarah itu dipercepatkan.

Lebih 600 Pengesan Baharu Dipasang pada Januari

Anugerah itu menyusul selepas peluasan besar sumbangan kejuruteraan Chiba. Pengumuman siapnya penaiktarafan oleh universiti itu, yang diterbitkan pada 13 Februari, menyatakan pemasangan selesai pada 21 Januari 2026.

Pasukan khas yang terdiri daripada kira-kira 40 penyelidik dan jurutera bekerja selama kira-kira dua setengah bulan, bermula pada penghujung November 2025. Mereka menggerudi enam lubang dalam dan memasang lebih 600 modul optik baharu di tengah-tengah pengesan sedia ada.

Kira-kira 40 peratus modul baharu itu ialah pengesan D-Egg yang direka bentuk dan dihasilkan oleh Pusat Antarabangsa Astrofizik Hadron Chiba selama lebih sedekad. Kumpulan Jerman dan Amerika membekalkan satu lagi reka bentuk pengesan, mDOM.

Setiap D-Egg mengandungi dua penderia cahaya sensitif yang menghala ke arah bertentangan di dalam perumah kaca. Keupayaan menangkap cahaya dari atas dan bawah membantu mengukur arah dan keamatannya. Perumah itu juga sesuai dimasukkan ke dalam lubang gerudi yang lebih sempit. Ishihara, yang mengetuai kerja pembuatan, menyertai pasukan pemasangan di Antartika.

Jadual pembinaan itu amat mencabar. Penggerudian menggunakan air panas mengambil masa kira-kira 60 jam untuk membuat dan membentuk lubang hingga kedalaman 2,600 meter. Pemasang kemudian perlu menurunkan kira-kira 110 pengesan yang disambungkan dalam tempoh 30 jam, sebelum laluan masuk tertutup semula akibat pembekuan.

Universiti itu turut melaporkan bahawa lima pengesan demonstrasi yang dihasilkan di Chiba dipasang untuk pembangunan ke arah IceCube-Gen2. Syarikat tempatan, pelajar siswazah dan penyelidik muda terlibat dalam pembangunan serta pengeluaran pengesan, sekali gus meluaskan sumbangan Jepun melangkaui analisis data.

Sasaran Lebih Besar untuk Neutrino Bertenaga Lebih Rendah

Penaiktarafan itu menempatkan penderia dengan lebih rapat untuk mengesan cahaya yang lebih lemah daripada neutrino bertenaga lebih rendah. Ia menyasarkan julat gigaelektronvolt, atau GeV, sambil menambah baik ukuran cara cahaya bergerak melalui ais sekeliling. Pengetahuan yang lebih baik tentang ais sepatutnya meningkatkan pembinaan semula arah ketibaan neutrino.

Chiba menyatakan isipadu pengesanan berkesan bagi penaiktarafan itu bersamaan kira-kira dua juta tan air, berbanding kira-kira 50,000 tan bagi Super-Kamiokande. Angka tersebut memberikan nisbah kira-kira 40 kepada satu. Isipadu sahaja tidak menentukan kepekaan atau ketepatan, kerana instrumen itu menggunakan susun atur dan kaedah pemerhatian yang berbeza.

Susunan yang lebih padat itu meluaskan keupayaan kemudahan yang terkenal dengan astronomi bertenaga sangat tinggi kepada satu lagi julat tenaga zarah. Chiba mengenal pasti neutrino yang dilepaskan semasa keruntuhan graviti bintang besar dan pembentukan lohong hitam sebagai sasaran penyelidikan yang berpotensi, bukannya cerapan yang sudah dicapai.

Jadual cerapan kini dinyatakan dengan lebih khusus. Dalam pengumumannya pada Februari, Chiba menjangkakan cerapan bermula sekitar musim panas 2026 selepas ais membeku semula, pemeriksaan komunikasi, penentukuran dan penentududukan pengesan yang tepat.

Bagaimanapun, pengumuman anugerah Nobel IceCube pada Oktober menyatakan data sains pertama daripada penaiktarafan itu dijangka diperoleh lewat pada 2026. Pengumuman tersebut tidak mengesahkan bahawa cerapan saintifik penuh bermula pada musim panas.

IceCube-Gen2 yang dicadangkan akan mempunyai susunan optik dengan isipadu lapan kali ganda berbanding balai cerap semasa, serta menambah pengesanan radio untuk neutrino dengan tenaga lebih tinggi lagi. Projek itu masih berupa cadangan; pengumuman berkenaan tidak menetapkan tarikh mula atau siap pembinaan.

Detik Penting di Sebalik Anugerah

Sejarah IceCube merangkumi beberapa peringkat yang kadangkala diringkaskan sebagai satu tarikh penemuan: mencadangkan instrumen, membinanya, merekodkan peristiwa, membentangkan analisis dan menerbitkan dapatan.

• 1988: Halzen mula membentangkan visi pengesanan neutrino di Kutub Selatan.
• 2002: Kerjasama IceCube dibentuk, dengan Chiba menyertai sebagai satu-satunya institusi Jepun.
• 2004–2011: Pembinaan bermula dan balai cerap lengkap mula beroperasi.
• 2011–2013: Peristiwa penting pertama direkodkan, dibentangkan pada Jun 2012 dan dihuraikan dalam makalah jurnal pada 2013.
• 2017–2018: Peristiwa IC170922A membawa kepada kaitan dengan blazar TXS 0506+056 dan penerbitan dapatan tersebut.
• 2021: Pengesanan pertama resonans Glashow diterbitkan.
• 2023: IceCube mengumumkan cerapan neutrino dari Bima Sakti.
• 21 Januari 2026: Pemasangan IceCube Upgrade selesai.
• 6 Oktober 2026: Halzen diumumkan sebagai penerima Hadiah Nobel Fizik.

Menurut Yoshida, kerjasama itu berkembang daripada lima negara ketika ditubuhkan kepada 14 negara hari ini. Halaman projek Chiba merekodkan kira-kira 300 penyelidik di 53 institusi dalam 12 negara pada 2020, berbanding kira-kira 450 penyelidik di 58 institusi kini.

Halzen, penyiasat utama IceCube, meletakkan usaha kolektif itu sebagai inti pati reaksinya terhadap anugerah tersebut.

Saya berasa amat lega kerana akhirnya dapat memberikan pengiktirafan yang layak diterima oleh kerjasama hebat ini.

Bagi Chiba, detik penting seterusnya ialah jangkaan penerbitan data sains pertama daripada penaiktarafan itu lewat pada 2026. Para penyelidiknya juga sedang membuat persiapan untuk balai cerap lebih besar yang dicadangkan, sambil meneruskan usaha mencari pemecut kosmik yang menghasilkan zarah yang dikesan IceCube.

Perkara Utama

• Francis Halzen menerima Hadiah Nobel Fizik 2026 atas sumbangannya kepada IceCube dan penemuan neutrino kosmik.
• Universiti Chiba mengambil bahagian sejak 2002 dan kekal sebagai satu-satunya institusi Jepun dalam kerjasama itu.
• Chiba membantu mengenal pasti isyarat kosmik awal, sumber blazar dan peristiwa resonans Glashow pertama.
• Balai cerap asal menggunakan 5,160 modul optik dalam satu kilometer padu ais Antartika.
• Kira-kira 40 peratus daripada lebih 600 pengesan baharu yang dipasang untuk penaiktarafan dihasilkan oleh Chiba.
• Jadual terkini menjangkakan data sains pertama daripada penaiktarafan itu lewat pada 2026; IceCube-Gen2 masih dalam peringkat cadangan.