Institutionen för fysik och astronomi

Maintenance and operations costs for the IceCube Neutrino Observatory

Infrastruktur: IceCube
Projekttitel: Maintenance and operations costs for the IceCube Neutrino Observatory
Huvudsökande: Olga Botner, avdelningen för högenergifysik

Universums hemligheter kan utforskas genom att studera partikelstrålningen från kosmiska källor. Under de senaste åren har man allt oftare framhävt värdet av att särskilt undersöka neutrinoflödet från universum som ett komplement till studier av den elektromagnetiska strålningen och strålningen av laddade partiklar. Neutriner växelverkar enbart svagt och kan därför färdas genom stora mängder materia utan att absorberas. De kan därför vara de enda partiklar som kan förmedla information från annars otillgängliga källor. Neutriners stora genomträngningsförmåga gör att de blir svåra att detektera, och det krävs en stor instrumenterad detektorvolym. Detta innebär att detektormaterialet måste vara lättillgängligt i stor mängd, samt genomskinligt för det blåa s.k. Cherenkovljuset som signalerar passagen av en neutrinoproducerad laddad partikel. I praktiken används vatten eller is. IceCube är ett neutrinoteleskop i den klara glaciärisen vid Sydpolen och omfattar en instrumenterad volym på ungefär 1 km3. Detta är ett minimum för effektiva studier av de intressantaste fenomenen då de förväntade neutrinoflödena är mycket små. Föregångaren AMANDA stängdes 2009. I gengäld har IceCube utökats med en s.k. DeepCore detektor placerad djupt nere i den klaraste isen i centrum av IceCube. Installationen av IceCube påbörjades 2004/2005 och detektorn färdigställdes i december 2010. Den består av 86 strängar (inkl. DeepCore) med totalt 5160 ljusdetektorer. Sensorerna har frusits in i isen på djup mellan 1450 och 2450 m. DeepCore utgörs av 6 speciella strängar utrustade med extrakänsliga ljussensorer, flertalet djupare än 2100 m, samt de 7 närmsta ”normala” IceCube strängarna. Ljusdetektorerna på de 86 strängarna registrerar Cherenkovstrålning som skickas ut när laddade partiklar som bildats vid neutrinoreaktioner färdas genom isen. Insamlade data skickas till norra halvklotet för analys. Genom att undersöka signalernas tidsföljd kan sedan riktningen på de inkommande neutrinerna rekonstrueras med någon grads precision. I ett visst energiområde observeras himlen över det norra halvklotet. Jorden används då som ett myonfilter som enbart neutriner kan passera utan att absorberas. Härmed elimineras den bakgrund av myoner som bildas när den kosmiska strålningen växelverkar med jordens atmosfär. För mycket höga energier studeras dock främst himlen över det södra halvklotet då även neutrinerna stoppas vid passage genom jorden. Syftet med DeepCore är att i vissa lägen kunna använda omgivande IceCube som en vetoregion bl.a. för att kunna observera neutrinoflödet från potentiella källor i Vintergatans centrum vid relativt låga energier och för att kunna söka efter neutriner från annihilation av mörk materia i Solens inre året runt, även när Solen är över horisonten.

Under 2013 observerade IceCube, för första gången någonsin, ett flöde av högenergetiska neutriner med ursprung bortom solsystemet. Detta var ett genombrott som ledde till att den brittiska tidskriften Physics World utnämnde IceCube till 2013 Breakthrough of the Year. Enligt teoretiska rön produceras högenergetiska neutriner i närheten av kraftfulla kosmiska acceleratorer t.ex. de svarta hålen i hjärtat av aktiva galaxer. Vi hoppas nu att upptäckten skall bli ett första steg mot lösningen av gåtan kring uppkomsten av den kosmiska strålningen med de högsta energierna. Forskare i Stockholm och Uppsala har bidragit till konstruktionen av IceCube och DeepCore genom att bygga, verifiera och kvalitetssäkra c:a 1000 av ljusdetektorerna. Vi har tidigare även bidragit till konstruktionen av AMANDA, både vad gäller detektorns komponenter och elektronik, men arbetar nu främst med analys av IceCube data. IceCube kollaborationen är internationell - f.n. ett samarbete mellan 47 institutioner i 12 länder, från Sverige universiteten i Stockholm och Uppsala. Dessutom deltar institutioner från USA, Belgien, Tyskland, Danmark, Storbritannien, Schweiz, Japan, Nya Zealand, Australien, Kanada och Sydkorea.