Kosmiska budbärare i Sydpolens is
Svenska forskare vid Stockholms och Uppsala universitet har en framträdande roll i det forskningsprojekt som av den brittiska tidskriften Physics World tillskrivits årets genombrott inom fysikforskningen. För första gången har man lyckats utnyttja högenergineutriner som kosmiska budbärare för att öppna ett nytt fönster mot universum.
Projektet går under namnet IceCube, och går ut på att studera universum på ett sätt som är fundamentalt annorlunda från vad som gjorts tidigare. Genom att installera sensorer djupt nere i Antarktis inlandsis någon kilometer från den stolpe som markerar den geografiska sydpolen har forskarna kunnat detektera neutriner med ett ursprung utanför vårt solsystem. Det är detta som är genombrottet. Neutriner är en mycket speciell sorts elementarpartiklar som nästan saknar massa, och inte stoppas eller böjs av när de rör sig genom universum. De skulle kunna ge oss direkt information om processer som inte kan studeras på annat sätt.
Det var för mer än femtio år sedan som idén föddes om att använda neutriner som kosmiska budbärare. Sedan nästan fyrtio år har man försökt detektera neutriner från kosmos med hög energi. Eftersom neutrinerna reagerar så sällan ligger utmaningen i att åstadkomma en tillräckligt stor volym där reaktionerna kan registreras. Med hjälp av detektorer som är känsliga för ljuset från neutrinoreaktioner har forskarna försökt utnyttja naturligt förekommande vatten- eller ismassor.
Physics World motiverar sitt val av IceCube med att man öppnat ett nytt forskningsfält, men också med att forskarna lyckats bygga och driva ett detektorsystem med en volym av en kubikkilometer (närmare en miljard ton is), på en så extrem plats som Sydpolen.
IceCube-detektorn blev klar i december 2010 och den 22 november i år publicerades i Science den första observationen av högenergetiska neutriner med ett ursprung ute i universum. Det var kulmen på en process som påbörjades för drygt tjugo år sedan. Efter att ha sökt efter lämpliga platser för att utnyttja naturligt förekommande vatten- eller ismassor började en grupp bestående av fysiker ur fem forskargrupper, däribland de två svenska, att under 1993 sänka ned sensorer i isen vid Sydpolen. Det första detektorsystemet var en prototyp för IceCube som kallades AMANDA och gradvis byggdes ut fram till år 2000.
– Det var tufft ibland med bland annat krävande kroppsarbete utomhus i svåra väderförhållanden, säger professor emeritus Per Olof Hulth vid Stockholms universitet, som varit nere och jobbat vid Sydpolen i elva perioder.
För att kunna bygga den mycket större IceCube krävdes arbete på en industriell skala på en av de mest otillgängliga platserna på jorden. Forskarna konstruerade till exempel speciella byggnader som var flyttbara så att man kunde arbeta inomhus, nästan i plusgrader. På så sätt kunde man under de sju åren från 2004 till 2010 sänka ned 5 160 optiska moduler på 86 kabelsträngar till ett djup av 2 450 meter. Ungefär 1 000 av modulerna byggdes i Sverige. För varje sträng ”borrades” först ett hål genom att en lång slang sprutade varmvatten rakt nedåt.
Modulerna innehåller sensorer som registrerar de oerhört svaga blåaktiga ljusblixtar som uppstår där nere i mörkret när partiklar rör sig genom isen. Sådana partiklar bildas när en neutrino, efter att ha färdats med ljusets hastighet i miljoner eller miljarder år reagerar med en atomkärna i isen. Genom att rekonstruera riktningen hos de inkommande neutrinerna hoppas forskarna nu kunna identifiera individuella källor för neutrinostrålningen. Sådana källor är med största sannolikhet också källor för kosmisk strålning, oerhört energirika laddade partiklar som konstant bombarderar vår atmosfär. Eftersom laddade partiklar böjs av i magnetfält vet man inte varifrån denna gåtfulla strålning kommer.
Den första observationen av högenergetiska neutriner har alltså utsetts till 2013 års genombrott i fysik.Men den är bara början. Nu återstår arbetet med att förbättra analysmetoderna ytterligare, samla in mer data och bättre förstå var och hur dessa neutriner bildas.
Forskargrupperna i Stockholm och Uppsala har bidragit väsentligt till framgången, både med instrumentering och personal. Projektet har stötts av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, Polarforskningssekretariatet och Vetenskapsrådet.
– Det är fantastiskt att vi nu, efter 20 års arbete, lyckats öppna ett helt nytt fönster mot universum som ingen tidigare sett ut igenom, säger Per Olof Hulth, som var IceCube-projektets förste talesperson.
Den nuvarande talespersonen är Olga Botner vid Uppsala universitet. Hon säger:
– Framgången med IceCube bygger på hårt arbete av hundratals medarbetare runt om i världen för att utveckla och installera instrumentering för den extrema miljön, att genom AMANDA-prototypen visa att principen fungerar samt att insamla och analysera data. Utmärkelsen Physics World Top Breakthrough of the Year innebär ett välförtjänt erkännande av allt detta arbete.
Länk till IceCube http://icecube.wisc.edu
Artikel i Science 22 november A Evidence for High-Energy Extraterrestrial Neutrinos at the IceCube Detector http://www.sciencemag.org/content/342/6161/1242856.abstract
Se animation av hur sensorerna sänks (IceCube/NSF)
