Teleskopet som ser ned i bakken - og ut

Nesten på dagen 99 år etter at Roald Amundsen plantet flagget på Sydpolen, ble den siste detektoren i nøytrinoteleskopet IceCube senket ned i isen på samme sted. Teleskopet ser ned i bakken, tvers gjennom jordkloden, for å lete etter de mystiske nøytrinoene ute i verdensrommet.

Publisert

For en som står på sydpolpunktet, er det lite å se av IceCube-teleskopet. Ingen kupler, ingen speil og linser som på et vanlig teleskop. Bare en toetasjers bygning med to aluminiumsblanke tårn som speiler den antarktiske sommersola.

Tårnene samler kabler fra instrumentene, og de er begravet over halvannen kilometer under isen. Fem år har det tatt å bore 86 hull. Drillene kan bare gå i de korte sommersesongene fra november til februar, her nede hvor årstidene er snudd på hodet.

IceCube laboratoriebygningen fotografert mot nordvest (Foto: NSF)
IceCube laboratoriebygningen fotografert mot nordvest (Foto: NSF)

Glassklart mørke

Først går firndrillen, som driller seg gjennom de første femti metrene med grov, gammel firnsnø. Så monteres varmtvannsdrillen, som smelter seg gjennom den kompakte isen.

Dypere og dypere går det, først gjennom is med bobler og andre urenheter. Men på rundt 1500 meters dyp blir isen klar som glass.

Det er her nede, i det absolutte mørket, omgitt av frosset vann som kan ha ligget her siden de første halvapene klatret i trærne i Afrika for 45 millioner år siden, at forskerne finner forholdene de leter etter, som gjør det mulig å montere de følsomme instrumentene.

IceCube sensor på vei ned i borehull (Foto: NSF/B.Gudbjartsson)
IceCube sensor på vei ned i borehull (Foto: NSF/B.Gudbjartsson)

Følsomme ”øyne”

Og den 18. desember 2010 ble de siste instrumentene firt ned i det siste hullet. Først ble et lodd på et kvart tonn festet i enden av en kabel. Så ble kabelen firt ned i hullet, og med jevne mellomrom ble det festet en blank kule med ledninger til kabelen.

Hver kule har et ytre lag av glass, og et indre av metall. Kula kalles en DOM – en digital optisk modul. Den inneholder et følsomt elektronisk ”øye” – en fotomultiplikator.

I alt seksti slike DOM-kuler med hvert sitt ”øye” er blitt senket ned i det evige mørket. Den dypeste kula kom til hvile hele 2450 meter under den isdekkede sletta ved sydpolpunktet, like over dypet der isen møter fast fjell.

Den siste sensorkula på vei ned i IceCube. (Foto: R. Schwarz, NSF)
Den siste sensorkula på vei ned i IceCube. (Foto: R. Schwarz, NSF)

Lyssky partikler

Som små dråper av glass og metall ligger øynene spredt utover et område på en kubikk-kilometer. Hva er det de ser etter? Blå lysglimt, spor etter universets mest ”lyssky” partikler: nøytrinoene.

Mens du leser dette, passerer rundt 65 milliarder nøytrinoer hver kvadratcentimeter av kroppen din.

De fleste kommer fra sola. Dypt inne i kjernen av vår nærmeste stjerne, der trykk og temperatur moser fire hydrogenatomer sammen til ett heliumatom, settes voldsomme kjernereaksjoner i gang.

Kjernereaksjonene lager blant annet energi i form av stråling, lys og varme, livgivende energi til vår klode. Og de lager nøytrinoer.

Tilnærmet ingenting

Nøytrinoer er de nest vanligste partiklene i universet, nest etter lyspartikler, fotoner. Og likevel er de nesten umulige å oppdage. De har tilnærmet ingen masse. Derfor blir de veldig sjelden påvirket av kreftene fra andre kjernepartikler.

Det betyr at nøytrinoene passerer gjennom deg og meg – og jordkloden for den saks skyld – som om vi var tomrom. Og det er vi jo også – tilnærmet.

Det virker kanskje ikke slik, men atomene som kroppen vår er laget av, er tilnærmet ingenting. Hvis ett atom var så stor som Peterskirken i Roma, ville atomkjernen, hvor nesten hele massen til atomet er samlet, være på størrelse med et sandkorn.

Det betyr at nøytrinoet, som nesten ikke påvirkes av kreftene rundt atomet, har tilnærmet null sannsynlighet for å kollidere med kjernen.

Sjeldne kollisjoner

Illustrasjonen viser hvordan lyssporet av et muon som kommer nedenfra gjennom jorda, fanges opp av detektorene i IceCube. De tidligste treffene er farget orange, så videre gjennom regnbuens farger: gul, grønn og blå. (Figur: NSF)
Illustrasjonen viser hvordan lyssporet av et muon som kommer nedenfra gjennom jorda, fanges opp av detektorene i IceCube. De tidligste treffene er farget orange, så videre gjennom regnbuens farger: gul, grønn og blå. (Figur: NSF)

Men en sjelden gang skjer det. Og det er disse sjeldne kollisjonene som de mange ”øynene” i isdypet skal se etter.

Når et nøytrino kolliderer med en atomkjerne, sendes det noen ganger ut en elektrisk ladet partikkel som kalles et muon. Muonet fortsetter i samme retning som nøytrinoet, og sender ut et spor av blå glød. Dette glødesporet fanger øynene i isdypet opp.

Signalene samles i store datamaskiner i annen etasje av bygningen oppe på isen, og settes sammen til et mønster med en retning. Slik kan forskerne se hvilken retning nøytrinoet kom fra.

Verdens største stråleskjold

Men så enkelt er det heller ikke. De aller fleste blå glimtene skyldes nemlig noe annet enn nøytrinoer. De kommer av ”forurensing” i form av kosmiske stråler fra himmelen over sydpolpunktet.

Kosmiske stråler er for det meste atomkjerner av hydrogen og helium. De er mye tyngre og større enn nøytrinoene.

Det betyr at for hver nøytrino som kolliderer, ser ”øynene” millioner av uinteressante kollisjoner fra kosmisk stråling. Å skille ut nøytrinoene blir som å vaske gullkorn ut av sanden. Hvordan gjøres det?

Løsningen ligger rett under IceCube, i form av verdens største skjold: verden selv! Ved å bruke hele jorda som stråleskjold mot de kosmiske strålene, utnytter forskerne det faktum at nøytrinoene går uhindret gjennom jordkloden.

Med andre ord: Se mot nord! Rett teleskopet nedover – mot nordpolen, rett under føttene på forskerne i Antarktis!

Luftfoto av Scott/Amundsen-basen til høyre og IceCube til venstre, med rullebanen i midten. (Foto: Forest Banks, NSF)
Luftfoto av Scott/Amundsen-basen til høyre og IceCube til venstre, med rullebanen i midten. (Foto: Forest Banks, NSF)

Budbringere

Synsretningen styres ved å filtrere vekk alle glimt som komme ovenfra, og konsentrere seg om de få som kommer nedenfra. Forskerne regner med å registrere en nøytrino omtrent hvert 20. minutt.

Og da er de ikke bare interessert i nøytrinoer fra solen, men nøytrinoer som kan komme fra de fjerneste egner av universet.

Det er derfor nøytrinoene er så spennende: De har reist med tilnærmet lysets hastighet og nesten uten å være påvirket av forstyrrende krefter. Og noen har vært underveis siden tidenes morgen.

Forskerne håper derfor at nøytrinoene kan bære vitnesbyrd om sine fjerne opphav, enten det er massive svarte hull i kjernen av melkeveisystemer, mørk materie, eller kanskje noe nytt og helt uventet.

Lenker

Ice Cube Competed, artikkel på nettsidene til tidsskriftet Nature

Nettstedet til IceCube