Institutionen för fysik och astronomi

Populärvetenskaplig presentation: IceCube

Kosmisk strålning upptäcktes av Victor Hess när han 1912 observerade utslaget på en jonisationsmätare samtidigt som han med en varmluftsballong steg upp till 5000 m höjd. Eftersom utslaget ökad med höjden förstod han att strålningen måste komma utifrån rymden. Han fick Nobelpriset 1936 för sin upptäckt.

Vi vet nu att det någonstans i universum finns något som producerar kosmisk strålning med mycket höga energier men det är delvis okänt var och hur detta sker, särskilt för de högsta energierna på upp till ca 1020 eV. Jämför med människans kraftfullaste accelerator, LHC vid CERN, som förmår att ge partikelenergier på ca 1013 eV.

Orsaken till att det är svårt att bestämma var den högenergetiska kosmiska strålningen har sitt ursprung är dels att de allra högsta energierna växelverkar med den kosmiska  bakgrunden av mikrovågsstrålning och dels att banorna för partiklar med lite lägre energier störs kraftigt av det intergalaktiska magnetfältet. En föreslagen metod för att kartlägga ursprunget är att observera kosmiska neutriner. Neutrinerna växelverkar endast svagt och störs därför varken av mikrovågsstrålningen eller magnetfälten. De skulle därför kunna vara den ideala budbäraren.  Dess egenskaper gör dock samtidgt  att de är mycket svåra att detektera. Därför behövs mycket stora detektorer för att kunna observera neutrinerna.

Världens största neutrino-teleskop är IceCube som består av ca 5000 ljusdetektorer som installerats i en kubik-kilometer av is i den klara glaciären på sydpolen. IceCube har rapporterat upptäckten av de första högenergetiska neutrinerna av kosmiskt ursprung, en upptäckt som utsågs till ”Breakthrough of the year 2013” av tidskriften Physics World, utgiven av anrika Institute of Physics. Vissa slutsatser har redan kunnat dras från dessa neutriner, t.ex. att de inte kommer från vår galax Vintergatan. Antalet av detekterade och identifierade kosmiska neutriner är dock fortfarande litet och betydligt fler behövs för att nå målet att förklara den kosmiska strålningens ursprung.

Projektet avser att kartlägga neutrinoflödet genom att angripa uppgiften med tre kompletterande metoder.  Vi avser att fortsätta analysen av data från IceCube i det energiområde (1 TeV – 1 PeV) där dess egenskaper är fördelaktiga. Vi har särskilt utvecklat en vetobaserad metod som gör det möjligt att leta efter källor på den södra stjärnhimmeln över en energitröskel på 0,1 TeV, ett område där vi tror att det finns galaktiska neutrinokällor. För effektiva studier av neutriner vid lite högre energier, ca 0,1 – 50 PeV, behöver vi ett större teleskop. Intensiva studier av hur detta bör byggas pågår och i projektet bidrar vi till optimering och utvärdering av olika möjliga utformningar. Vi utvecklar särskilt design och prestanda för ett möjligt lager av detektorer på ytan av glaciären som kan används för ett effektivt veto mot laddad kosmisk strålning och därigenom möjliggöra effektiva studier av södra hemisfären också i detta energiområde.

För neutriner med energier i området ca 50 – 10000 PeV blir det möjligt att mäta radio-signaler  som utsänds genom s.k. koherent strålning från den täta partikelsvärmen som bildas när neutrinon växelverkar i isen. Med radiotekniken kan mycket större volymer instrumentras på ett ekonomiskt hållbart sätt. Därför deltar vi i utvecklingen av ARIANNA (Antarctic Ross Ice shelf  ANtenna Neutrino Array). Resultat från ett tre-stationers testsystem är mycket lovande och har publicerats under 2014. I december installerades ytterligare 4 stationer och vissa ändringar av de tidigare stationerna genomfördes för att få bredare fältmässiga erfarenheter av bl.a. strömförsörjningssystem, datakommunikation och elektroniklösningar. Det planerade systemet skall täcka en 36 km ✕ 36 km stor yta på den flytande isen med 1296 mätstationer som vardera har 8 nedåtriktade antenner. 

Neutriner i energiområdet kring 1000 PeV har länge ansetts ”garanterade” från observerade egenskaper hos kosmisk strålning, men många modeller finns som ger olika flöden. Mätningar av flöden och spektra kommer alltså att ge information om vilka modeller som är korrekta.

Neutrinofönstret som i och med IceCubes upptäckt nyligen har öppnats på glänt kommer att öppnas på vid gavel med våra utvidgade teleskop och projektet kommer därigenom att ha avgörande betydelse för kunskapen om högenergiprocesser i vårt universum.