IceCube er begravet under halvannen kilometer is ved Sydpolen på Antarktis. Oppe på isen har forskerne et laboratorium. Boblene nederst angir hvor mye lys detektorene fanget opp da en av de mest energirike nøytrinoene kom forbi.  (Illustrasjon: IceCube Collaboration)
IceCube er begravet under halvannen kilometer is ved Sydpolen på Antarktis. Oppe på isen har forskerne et laboratorium. Boblene nederst angir hvor mye lys detektorene fanget opp da en av de mest energirike nøytrinoene kom forbi. (Illustrasjon: IceCube Collaboration)

Nå kan nøytrinoer brukes til astronomi

Astrofysikerne kan begynne å bruke de spøkelsesaktige elementærpartiklene til å lære mer om noen av de voldsomste begivenhetene i universet. På Antarktis har de klart å fange spor etter nøytrinoer fra det ytre rom. 

Published

Spøkelsepartikler er vanskelige å fange

Nøytrinoer er veldig lette elementærpartikler som ikke har noen elektrisk ladning, og som bare veldig sjelden vekselvirker med annen materie. Derfor passerer de gjennom alle slags ting. Det finnes tre forskjellige typer: elektron-nøytrinoer, myon-nøytrinoer og tau-nøytrinoer, pluss de respektive antipartiklene.

Eksistensen av nøytrinoer ble forutsagt i 1930, da fysikere studerte det radioaktive beta-nedbrytingen. De oppdaget at det forsvant litt energi ved nedbrytingene, og det måtte være en partikkel som fraktet denne energien vekk. Først i 1956 ble nøytrinoenes eksistens bekreftet i et eksperiment.

Nøytrinoer vekselvirker nesten ikke med annet stoff, så de er vanskelige å fange opp. Forskerne leter etter spor i blant annet is og vann. Her er det den japanske nøytrino-detektoren Super-Kamiokande som holder på å bli fylt med vann.

Nøytrinoer dukker opp ved kjerneprosesser, for eksempel ved visse former for radioaktiv nedbryting, i atomreaktorer, i stjerner og supernovaer og når kosmisk stråling – partikler fra rommet med høy energi – treffer atomkjerner i atmosfæren. De fleste nøytrinoene som går gjennom jorden, stammer fra solen.

De spøkelsesaktige partiklene kan forvandle seg på veien, slik at en myon-nøytrino kan bli til en elektron-nøytrino. Ved hjelp av enorme eksperimenter prøver forskerne å lære mer om dette fenomenet, for da kan de også finne ut hva nøytrinoene veier og hvilken rolle de spiller for universets utvikling.

De kan dessuten brukes som et astronomisk instrument. Forskerne vil gjerne vite hvor de mest energirike nøytrinoene kommer fra, for de må oppstå i forbindelse med uhyre voldsomme begivenheter i universet.

Nøytrinoer fra fjerne galakser har tilbakelagt millioner av lysår for til slutt å fare gjennom jorden og gi seg til kjenne nede i isen på Sydpolen.

Ved hjelp av detektoren IceCube, som er begravet dypt nede i isen på Sydpolen, har forskerne funnet spor etter 21 av disse kosmiske nøytrinoene som først har vært en tur gjennom jordkloden, ifølge en ny studie.

Forskere i front

Blant den nye studiens forfattere er fem forskere fra Niels Bohr Institutet (NBI) ved Københavns Universitet. En liten gruppe fra instituttet arbeider med å analysere data fra detektoren.

– Det nye er at vi har oppdaget kosmiske nøytrinoer som har kommet hele veien gjennom jorden for å nå frem til detektoren, forteller professor Subir Sarkar, som var med på å opprette IceCube-gruppen på NBI.

– Det åpner mulighetene for at nøytrinoer kan brukes i astronomien. Med tiden vil vi kunne skape et kart over himmelen og se hvor nøytrinoene kommer fra. Da kan vi kanskje finne ut hvordan disse høyenergiske nøytrinoene dannes.

Som et astronomisk observatorium kan en nøytrino-detektor som IceCube gi en melding om hvor det kan være smart å rette teleskopene. Innen en usikkerhet på en halv grad kan forskerne nemlig si hvor en energirik, kosmisk nøytrino kom fra.

5160 sensorer under isen

Nøytrinoer er lette elementærpartikler som det finnes ekstremt mange av i universet. Imidlertid er de uhyre vanskelig å oppdage dem, for de vekselvirker nesten ikke med annen materie. Hvert eneste sekund passerer milliarder av nøytrinoer gjennom hver kvadratcentimeter av kroppene våre og alt omkring oss.

En sjelden gang treffer en nøytrino en atomkjerne, slik at det dannes en annen type elementærpartikkel – et myon, som er en slags tyngre fetter til elektronet. Det er faktisk myonene som kan oppdages i IceCube-detektoren, for de etterlater et lysspor når de farer gjennom isen.

IceCube består av 5160 lyssensorer som er plassert i en kubikkilometer av isen mellom 1,5 og 2,5 kilometer nede. Lys passerer lett gjennom den rene isen, og det er altså lysglimt fra myonene som fører forskerne på sporet av nøytrinoene.

Jorden fungerer som filter

Tidligere har IceCube-forskerne funnet spor etter kosmiske nøytrinoer som var på vei fra sør mot nord, men det nye resultatet er mer sikkert fordi forskerne nå har konsentrert seg om nøytrinoer som kom fra nord – og altså har passert gjennom hele jorda.

– Vi bruker jorden som et stort filter, forklarer Subir Sarkar.

De røde sirklene viser hvor de 21 kosmiske nøytrinoene kom fra. Tallet angir energien i TeV. Som det fremgår, kommer nøytrinoene fra alle mulige steder på den nordlige halvkulen. (Foto: (Illustrasjon: IceCube Collaboration) )
De røde sirklene viser hvor de 21 kosmiske nøytrinoene kom fra. Tallet angir energien i TeV. Som det fremgår, kommer nøytrinoene fra alle mulige steder på den nordlige halvkulen. (Foto: (Illustrasjon: IceCube Collaboration) )

– Det er bare nøytrinoer som passere gjennom hele jordkloden, så når signalet kommer nordfra, er det ikke forurenset av støy fra andre partikler.

Mellom mai 2010 og mai 2012 fant forskerne spor etter 35 000 myon-nøytrinoer i IceCube, men de aller fleste stammer fra jordens atmosfære. De oppstår når kosmisk stråling vekselvirker med atomkjerner i den øvre atmosfæren. Noen få av dem ser imidlertid ut til å komme langveis fra:

– Vi kjenner etter hvert de atmosfæriske nøytrinoene godt. Vi vet hvor de kommer fra og hvilken energi de typisk har. Så vi kan sortere dem ut, slik at det bare er de kosmiske nøytrinoene igjen, sier Sarkar.

Enorme energi

De 21 nøytrinoene som passerte gjennom jorden, og som høyst sannsynlig stammer fra kosmiske kilder, holdt høy fart. De hadde energi på mellom 100 og 1700 teraelektronvolt (TeV). Til sammenligning kan protonene i den enorme partikkelakseleratoren LHC, ved forskningssenteret CERN, bare komme opp i 7,5 TeV.

Spørsmålet er hva slags fenomener i universet det er som kan produsere nøytrinoer med så høy energi.

– For å skape nøytrinoene trengs enda mer energirike partikler, for eksempel protoner. De må ha blitt akselerert i et uhyre sterkt magnetfelt, mener Sarkar.

– Så vi prøver å regne oss frem til hvordan naturen kan gjøre det så mye bedre enn LHC. Det krever noen av universets mest eksotiske fenomener, for eksempel aktive galaksekjerner som drives av supermassive sorte hull.

– Kanskje sendes det også ut energirike nøytrinoer i forbindelse med gammaglimt – enorme kosmiske eksplosjoner. Vi har fortsatt ikke observert nøytrinoer som kom fra samme retning og på samme tidspunkt som gammaglimt, men vi regner med at det kan være sammenfall.

En ny form for astronomi

Fortsatt er nøytrino-astronomien helt i startfasen, men forventningene er store. Det bekrefter professor Ulrik Uggerhøj fra Aarhus Universitet. Han har ikke vært involvert i dette arbeidet, men forsker også på nøytrinoer:

– Det kan være begynnelsen på en ny tidsalder i astronomien – en ny måte å se ut i universet. Nå vet vi at vi kan observere kosmiske nøytrinoer.

– Vi vet at det finnes kosmiske partikler med helt ekstreme energier. En enkelt partikkel kan ha like mye energi som en tennisball som sendes av sted med en knallhard serve. Rent teoretisk er det vanskelig å finne mekanismer som kan gi partikler en så høy energi, men med nøytrinoastronomi kan vi kanskje finne ut hvor de kommer fra.

Uggerhøj forteller at det er planer for nye nøytrino-eksperimenter som i isen på Sydpolen eller Grønlandsisen. For eksempel har forskerne planer om å grave ned detektorer i en kjempemessig flytende iskappe, Ross ice shelf, ved Antarktis, i forbindelse med et prosjekt som kalles Arianna.

– Her kunne man bygge en mye større detektor, som samtidig har god retningsfølsomhet. Så vi er i full gang med å designe neste generasjon av nøytrino-detektorer som kan brukes til astronomi, avslutter Uggerhøj.

Referanse:

M. G. Aartsen m.fl.: Evidence for Astrophysical Muon Neutrinos from the Northern Sky with IceCube. Phys. Rev. Lett., 2015. doi:10.1103/PhysRevLett.115.081102.Sammendrag.

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.