Svenska forskare fångar neutriner vid Sydpolen

På morgonen den 19 december 2010 kunde vi som åt frukost på Amundsen–Scottbasen vid den geografiska Sydpolen se röda fanor ute på inlandsisen. Nattskiftet vid Icecube hade märkt ut alla de 86 detektorsträngar som sänkts djupt ner i inlandsisen. Icecube-detektorn var därmed färdigbyggd. Nattskift är förresten ett lite abstrakt begrepp på Sydpolen. Här står solen på samma höjd hela tiden och rör sig i en cirkel runt zenitpunkten.

För många var det lite av en uppenbarelse att se den stora ytan täckt med fanor. Det gjorde det lättare att föreställa sig hela anläggningen: en kubikkilometerstor detektor som når 1 500 meter ner i glaciären.

Efter sex års konstruktionsarbete väntar nu en åtskilligt längre tid av datatagning med det färdiga instrumentet. Mitt i den antarktiska vintern, är det ganska tomt på folk vid Sydpolen. Det tar tre timmar att flyga hit från kusten med ett Herculesplan. Polområdet är täckt med ett nästan tre kilometer tjockt täcke av den renaste is vi känner till. Solen går ner vid vårdagjämningen för att först sex månader senare, vid höstdagjämningen, dyka upp igen över horisonten. Under vinterhalvåret, då det är sommar i Sverige, kan temperaturen sjunka till –80 grader. Så i vårt arbete med detektorn i isen var vi hänvisade till den antarktiska sommaren. Då är det ljust och en hel del varmare, temperaturen ligger på mellan –25 och –40 grader.

Kylan är en utmaning, men också den torra och tunna luften på nästan 3 000 meters höjd är ansträngande. Varje år brukar någon drabbas av höjdsjuka vid polen och behöva evakueras. Även teknisk apparatur och elektronik påverkas av höjden.

Från februari till oktober är forskningsstationen isolerad från omvärlden och bemannad av ett femtiotal personer. Två av dem har ansvar för Icecube-detektorn, databehandlingen och satellitöverföringen till norra halvklotet. I de mer beboeliga delarna av världen tas Icecube-data emot för analys av drygt 250 fysiker från tio länder. Centrum för samarbetet finns vid University of Madison, Wisconsin i USA.

Icecube är en detektor, ett observatorium för att studera neutrinostrålning från kosmos. Med en enorm slang sprutades varmt vatten ner i isen för att åstadkomma nästan 2 500 meter djupa hål. Ett sådant hål blir snabbt fullt med vatten som fryser till igen. Men innan det händer hinner vi sänka ner instrumenten, en sträng av ljusdetektorer som kan kommunicera med datorer på ytan via specialgjorda kablar.

Detektorerna ska fånga de svaga ljusblixtar som neutrinerna ger upphov till. När en neutrino, ofta efter att ha korsat hela jordklotet, anländer till Antarktis kan den råka krocka med någon av isens atomer. Då bildas elektriskt laddade partiklar som i sin rörelse igenom isen sänder ut blått ljus. Det är detta ljus som Icecube ska fånga. Bland partiklarna som bildas finns ofta en myon som kan fortsätta flera kilometer i neutrinons rörelseriktning.

Genom att fånga ljusblixten kan detektorn därför även notera varifrån den ursprungliga neutrinon har kommit. De elektriskt neutrala neutrinerna rör sig nämligen rätlinjigt genom rymden – till skillnad från laddade partiklar, vilkas färdvägar böjs av i magnetfält.

Eftersom de så sällan reagerar med materia kan neutrinerna också nå oss direkt från platser som vi inte kan observera på annat sätt. Så vi hoppas att neutriner ska ge oss en ny bild av universum, som komplement till den vi har fått via synligt ljus, radiovågor, gammastrålar och all annan strålning av den vanliga elektromagnetiska sorten.

Det hela kompliceras betydligt av att de allra flesta myonerna som anländer till Icecube inte har någonting att göra med de kosmiska neutrinerna. De kommer inte från neutriner över huvud taget, utan från kosmisk strålning som reagerar i jordens atmosfär ovanför Sydpolen.

För att undvika de stora mängderna atmosfäriska myoner kan Icecube rikta uppmärksamheten bort från himlen ovanför och i stället se norröver. Då kan hela jordklotet agera filter för de oönskade myonerna. På så sätt utnyttjar vi neutrinernas förmåga att passera det mesta i deras väg utan att märka hindren. Bara några få krockar ibland på vägen, och ännu färre i vår detektor. Det är därför vi behöver en så enormt stor detektor – vi ska kunna samla in data från tillräckligt många neutrinokrockar.

Reaktionerna i atmosfären ger också upphov till neutriner som utan vidare kan passera genom jorden. Flera tiotusental sådana neutriner har registrerats av Icecube-detektorn under uppbyggnadsfasen, fast än så länge har vi inte kunnat påvisa några neutriner av utomjordiskt ursprung.

Men man har faktiskt redan lyckats fånga neutriner från rymden med andra metoder. Nästan alla anlände till oss från solens inre, men 19 stycken kom från det stora supernovautbrottet år 1987. Icecube söker nu efter neutriner med upp till en biljon gånger högre energier. Vi vet säkert att sådana neutriner finns, eftersom den kosmiska strålningen måste reagera på olika håll i universum och ge neutriner.

Även om vi hoppas att neutrinostrålningen ska avslöja något helt oväntat så finns det naturligtvis också konkreta frågor som åtminstone delvis skulle kunna få ett svar. En sådan fråga är var partiklar i den kosmiska strålningen kommer ifrån. Kosmiska partiklar anländer till oss från alla håll i rymden.

De som har allra högst energi kommer troligen inte från vår egen galax, Vintergatan. Hur kan dessa partiklar nå energier som är tio miljoner gånger högre än vad vi kan åstadkomma ens med världens kraftfullaste acceleratorer? Neutrinerna i Antarktis skulle kunna peka ut de kosmiska objekt där de bildades, i reaktioner mellan den intensiva kosmiska strålningen vid källan och omgivningen.

Utifrån mängden kosmisk strålning som når jorden kan man uppskatta hur mycket neutriner som borde bildas vid sådana källor. Icecube är känsligt för ett sådant neutrinoflöde, och känsligheten ökar allteftersom mera data samlas in.

De partiklar som har högst energi kommer troligen från de våldsammaste kosmiska skeendena, vid supernovautbrott eller i omgivningen av massiva svarta hål, där stora mängder materia slungas ut i rymden i gigantiska jetstrålar. Det kanske mest dramatiska är utbrott av gammablixtar som under någon sekund strålar ut lika mycket energi som solen gör under hela sin livstid. Får vi en neutrinosignal vid ett sådant tillfälle kan vi spåra den till exakt tidpunkt och plats. Så om den högenergetiska kosmiska strålningen har sitt ursprung i gammastrålningsutbrott, vilket många har hävdat, bör Icecube kunna upptäcka detta inom några år.

Sedan något tiotal år har det stått klart att neutriner har massa och att olika former av neutriner därför kan övergå i varandra medan de färdas från sina kosmiska källor eller genom jordklotet. Hur detta sker, och hur det ska förstås, är inte klart ännu, men det kan tänkas att Icecube kan bidra till lösningen. Kanhända fångar vi nya sällsynta partiklar som ingen ännu har sett men som kan finnas enligt fysikernas teorier. Det kan vara de så kallade magnetiska monopolerna, källor till det magnetiska fältet. En magnet har som bekant alltid en nord- och en sydända, men kanske finns det partiklar som bara har den ena?

Andra teorier förutsäger supersymmetriska systerpartiklar till alla de redan kända partiklarna. Den enormt stora detektorvolymen kan tillåta oss att få syn på dem ifall de finns och har gynnsamma egenskaper.

Vi hoppas också att kunna bidra till lösningen av mysteriet med den mörka materien i universum. Det finns mycket starka bevis för att ungefär 80 procent av all materia i universum är av ett slag som inte bildar gasmoln eller stjärnor, och därför inte syns i teleskop. Denna mystiska materia påverkar allt som vi kan se och även ljusets utbredning i universum via sin tyngdkraft, men vi vet egentligen väldigt lite om den.

Den mörka materien skulle kunna bestå av de neutrala partiklar, neutraliner, som förutsägs som en konsekvens av supersymmetrin, och som har precis rätt egenskaper. Om neutraliner finns kan de ansamlas i exempelvis solen. Där skulle de kunna nå en så hög koncentration att de kolliderar med varandra och omvandlas till bland annat neutriner.

Att söka efter just dessa neutriner från mörk materia har varit ett speciellt svenskt intresse. De svenska grupperna vid universiteten i Stockholm och Uppsala har sedan länge spelat en betydelsefull roll inom arbetet med Icecube och dess prototyp Amanda. Men den förväntade energin hos sådana neutriner har varit i lägsta laget för att de ska kunna upptäckas.

På svenskt initiativ har därför Icecube utrustats med en särskild lågenergidel finansierad av Knut och Alice Wallenbergs stiftelse. Denna del, Deepcore, innehåller extra känsliga optiska moduler som är tätare placerade än övriga delar av Icecube är.

Den sista strängen, som alltså installerades den 18 december, var just en Deepcore-sträng. Förutom de 60 optiska modulerna var den utrustad med en videokamera. Denna är byggd i Stockholm och ska studera isen som bildas runt modulerna. För många kändes det lite tomt när detektorbygget var klart, men det finns redan planer på hur man kan utnyttja erfarenheterna från Icecube för andra projekt vid Sydpolen.