IceCube är ett neutrinoobservatorium beläget vid den geografiska sydpolen i Antarktis' inland. Det blev färdigt strax före jul 2010, efter sex års konstruktionsarbete, och är världens i särklass största instrument i sitt slag.
 
IceCube
IceCube
 
IceCube drivs som ett internationellt samarbetsprojekt med drygt 250 fysiker, där grupperna i Stockholm och Uppsala spelar en framträdande roll.
Totalt 5160 ljusdetektorer (optiska moduler) har sänkts ned i den tre kilometer tjocka glaciären för att observera det ljus som genereras när partiklar som bildas i neutrinoreaktioner rör sig genom isen. Detektorerna finns på ett djup mellan 1450m och 2450m och fyller en volym av en kubikkilometer (därav namnet IceCube). Dessutom finns 162 isfyllda tankar på ytan som används för att detektera skurar från kosmisk strålning som reagerar i atmosfären. I varje tank finns två optiska moduler. Drygt 1000 av modulerna i IceCube har byggts i Stockholm. Bilden visar hur detektorn är placerad i isen.
 
Elektromagnetisk strålning, först synligt ljus, senare allt från radiovåglängder till extremt energirik gammastrålning, har gett oss en detaljerad och fascinerande bild av universum. Man har sett plötsliga och dramatiska skeenden som supernovor, gammablixtar och utbrott från neutronstjärnor och svarta hål. År 1912 upptäckte Victor Hess att jorden också nås av elektriskt laddade partiklar från rymden, den kosmiska strålningen. En del av dessa partiklar har enorma energier, men var de kommer ifrån har inte gått att säga eftersom deras banor ständigt kröks i universums magnetfält. Det finns också sådant man inte sett: ungefär 80% av universums massa utgörs av någon för oss okänd mörk materia. Den märks genom att den via gravitationen påverkar stjärnors och galaxers rörelse.
 
Genom att för första gången observera universum via högenerineutriner hoppas vi kunna vinna nya insikter om de mest energirika processerna i universum och lokalisera de platser där partiklarna i den kosmiska strålningen får sin energi. (Man har tidigare observerat neutriner med låg energi, men bara från två astronomiska objekt: solen och supernovan i Stora Magellanska Molnet som observerades 1987.) Det tänkas att det finns skeenden som är ''skymda'' och inte kan ses på vanligt sätt. Eftersom neutriner växelverkar så sällan och alltså lätt passerar igenom stora mängder materia (som jorden t.ex.) kanske sådana skymda källor kan ses via neutriner. Vi hoppas på det oväntade!
 
Norrsken är vanligt i polarområdena Foto Sven Lidström
Norrsken är vanligt i polarområdena Foto Sven Lidström
 

Det är inte lätt att hitta utomjordiska neutriner. Dels måste man ha en enorm detektorvolym för att det skall finnas någon chans att några enstaka sådan neutriner ska reagera där, dels kommer det mängder med bakgrundsneutriner från alla håll. Det bildas nämligen neutriner då den kosmiska strålningen reagerar i atmosfären. Trots att vår detektor ligger på stort djup finns också en betydande bakgrund av laddade partiklar, myoner, som bildas i atmosfären och kan tränga ned flera kilometer i jorden. De kan emellertid inte nå oss från andra sidan jorden, så genom att titta efter uppåtgående partiklar kan man undvika den bakgrunden.
Riktningen hos den inkommande neutrinon kan rekonstrueras inom någon grad om reaktionen ger en myon, för myonen tenderar att fortsätta en lång sträcka i neutrinons riktning. Många reaktioner ger andra typer av händelser där energin deponeras lokalt i en skur av partiklar. De ger en betydligt sämre riktningskänslighet, men en större känslighet för neutrinons energi.
 
 
Sommar på norra halvklotet innebär vinter på södra. Bild Sven Lidström
Sommar på norra halvklotet innebär vinter på södra. Bild Sven Lidström
 
 
En neutrinosignal skulle kunna se ut på olika sätt. Minst bakgrund finns för en eventuell neutrinopuls från en gammablixt eller supernova, för då kan både tid och riktning bestämmas genom andra observationer. (För en supernova kommer neutrinopulsen ett tag innan ljuset, och detta skulle kunna användas för att ge en förvarning så att supernovan kan observeras precis när den blossar upp på himlen, vilket inte är möjligt annars). Bakgrunden blir mer besvärlig om signalen utgörs av ett konstant neutrinoflöde från en viss källa, men en signal på något tiotal neutrinoreaktioner från samma riktning skulle vara synlig över bakgrunden.

Inom IceCube söker vi också efter ett diffust neutrinoflöde från en mängd olika källor spridda över universum. För att skilja ett sådant flöde från bakgrunden av atmosfäriska neutriner måsta man utnyttja att det förväntas ha ett annat energispektrum med större andel höga energier. Genom att jämföra observationen med det bakgrundsspektrum man förväntar sig kan man uppnå känslighet för en diffus neutrinosignal.

En speciell signal som stockholmsgruppen intresserat sig för är neutriner som bildas när de partiklar som antas utgöra den mörka materien (så kallade WIMPs) annihilerar med varandra och bildar "vanliga" partiklar, däribland neutriner.
 
På väg till jobbet i - 70 grader. Foto Sven Lidström
På väg till jobbet i - 70 grader. Foto Sven Lidström
 
Detta skulle kunna ske där massa finns koncentrerad, som nära galaxens centrum eller i jordens inre. Speciellt intressant är möjligheten att WIMPs fångats in av solen och annihilerar i solens kärna. Detta skulle endast kunna ses via neutriner som skulle ha mycket högre energi än dem som bildas i solens kärnreaktioner och som redan observerats. Även om deras energi är hög när det gäller solen är den i lägsta laget för den detektor med 80 strängar som ursprungligen planerades.
 
För att förbättra känsligheten för lägre energier utrustades IceCube, på initiativ från Stockholm och Uppsala och med stöd av Wallenbergstiftelsen, med sex extra strängar. De placerade i centrum av IceCube, på stort djup där isen är särskilt klar. Dessa strängar utgör, tillsammans med den övriga instrumenteringen i samma volym, en deldetektor speciellt lämpad för lägre energier. Den går under namnet DeepCore.

Gruppen i Stockholm intresserar sig förstås för att utnyttja de data som insamlas med den färdigbyggda detektorn med DeepCore för att söka efter mörk materia, men också för att söka efter andra punktkällor och efter ett diffust neutrinoflöde. Dessutom är gruppen involverad i ett analysprojekt som går ut på att kombinera data från IceCube och detektorer för gravitationsvågor (LIGO, VIRGO) för att studera supernovor. Vi deltar också i planeringen av framtida förbättringar av detektorsystemet vid sydpolen.

Text: Klas Hultqvist