Overflateanlegget for IceCube-eksperimentet, som ligger under nesten 1,6 kilometer is i Antarktis. IceCube antyder at spøkelsesaktige nøytrinoer ikke eksisterer, men et nytt eksperiment sier at de gjør det.
(Bilde: © Courtesy of IceCube Neutrino Observatory)
I den iskal ødemarken i Antarktis sitter en massiv partikkeldetektor, IceCube Neutrino Observatory. Men å søke på overflaten etter instrumentet vil være vanskelig, fordi hoveddelen av observatoriet er fanget under isen. Det internasjonale observatoriet har jaktet på nøytrinoer - masseløse, ladeløse partikler som nesten aldri samvirker med materie. Nå kan observasjonene løse et av de største mysteriene innen astronomi, og svare på spørsmålene bak opprinnelsen til nøytrinoer og kosmiske stråler.
Den største av dem alle
IceCube Neutrino Observatory dekker en kubikk kilometer nær Sydpolen. Instrumentet dekker en kvadratkilometer av overflaten og strekker seg ned til 1 500 meter (1500 meter) dypt. Det er den første gigaton neutrino detektoren som noensinne er bygget.
Mens fotografier av IceCube ofte viser en bygning som sitter på den snødekte overflaten, gjøres det virkelige arbeidet nedenfor. Flerbrukseksperimentet inkluderer et overflatearray, IceTop, et utvalg av 81 stasjoner som sitter over strengene. IceTop fungerer som en kalibreringsdetektor for IceCube, i tillegg til å oppdage luftdusjer fra primære kosmiske stråler, og deres fluks og sammensetning.
Den tette indre underdetektoren, DeepCore, er kraften i IceCube-eksperimentet. Hver av IceTop-stasjonene består av strenger festet til digitale optiske moduler (DOM) som er plassert på et sekskantet rutenett med en avstand på 125 meter fra hverandre. Hver streng inneholder 60 basketball-store DOM-er. Her, dypt inne i isen, er IceCube i stand til å jakte på nøytrinoer som kommer fra solen, innen Melkeveien og utenfor galaksen. Disse spøkelsesaktige partiklene er koblet til kosmiske stråler, de høyeste energipartiklene som noen gang er observert.
[Beslektet: Spore en nøytrino til sin kilde: Oppdagelsen i bilder]
Mystiske partikler
Kosmiske stråler ble først oppdaget i 1912. De kraftige strålingsutbruddene kolliderer kontinuerlig med jorden og strømmer inn fra alle deler av galaksen. Forskere beregnet at de ladede partiklene må dannes i noen av de mest voldelige og minst forstått objektene og hendelsene i universet. Den eksplosive stjernedøden til en stjerne, en supernova, gir en metode for å skape kosmiske stråler; de aktive sorte hullene i sentrum av galakser en annen.
Fordi kosmiske stråler består av ladede partikler, samhandler de imidlertid med magnetfeltene til stjerner og andre objekter de går forbi. Feltene varpere og forskyver banen til de kosmiske strålene, noe som gjør det umulig for forskere å spore dem tilbake til kilden.
Det er der nøytrinoer spiller inn. Som kosmiske stråler, antas lavmassepartiklene å dannes gjennom vold. Men fordi nøytrinoer ikke har noen lading, går de forbi magnetfelt uten å endre sti og ferdes i en rett linje fra kilden.
"Av denne grunn har søket etter kildene til kosmiske stråler også blitt søket etter nøytrinoer med meget høy energi," ifølge IceCubes nettsted.
De samme egenskapene som gjør at nøytrinoer er så gode budbringere, betyr imidlertid at de er vanskelige å oppdage. Hvert sekund passerer omtrent 100 milliarder nøytrinoer gjennom en kvadrat tomme av kroppen din. De fleste av dem kommer fra solen, og er ikke energiske nok til å bli identifisert av IceCube, men noen vil sannsynligvis ha blitt produsert utenfor Melkeveien.
Spotting nøytrino krever bruk av veldig klart materiale som vann eller is. Når en enkelt nøytrino krasjer inn i et proton eller nøytron inne i et atom, produserer den resulterende kjernefysiske reaksjon sekundære partikler som avgir et blått lys kjent som Cherenkov-stråling.
"Nøytrinoene som vi oppdager er som fingeravtrykk som hjelper oss å forstå gjenstandene og fenomenene der nøytrinoene er produsert," ifølge IceCube-teamet.
Harde forhold
Sydpolen er kanskje ikke verdensrommet, men den bringer sine egne utfordringer. Ingeniører begynte byggingen på IceCube i 2004, et syv-årig prosjekt som ble fullført etter planen i 2010. Byggingen kunne bare skje i noen måneder hvert år, over den sørlige halvkule sommer, som skjer fra november til februar.
Boring av 86 hull krevde en spesiell type bor - to av dem, faktisk. Den første avanserte gjennom firn, et lag med komprimert snø, ned til omtrent 50 meter. Deretter smeltet en høytrykks varmtvannsbor gjennom isen med en hastighet på cirka 2 meter (6,5 fot) per minutt, ned til dybden på 2.450 meter (8.038 fot eller 1,5 miles).
"Sammen klarte de to borene konsekvent å produsere nesten perfekte vertikale hull klare til utretting av instrumentering med en hastighet på ett hull annenhver dag," ifølge IceCube.
Strengene måtte deretter raskt settes ut i det smeltede vannet før isen frøs igjen. Frysing tok noen uker å stabilisere seg, hvoretter instrumentene forble uberørbare, permanent frosset i isen og ikke kunne repareres. Sviktfrekvensen for instrumentene har vært ekstremt langsom, med færre enn 100 av de 5 500 sensorene som for tiden er ikke-operative.
IceCube begynte å gjøre observasjoner fra starten av, selv mens andre strenger ble satt ut.
Da prosjektet først startet, var forskere uklare om hvor langt lys ville komme gjennom isen, ifølge Halzen. Med den informasjonen godt etablert, jobber samarbeidet mot IceCube-Gen2. Det oppgraderte observatoriet vil legge til rundt 80 flere detektorstrenger, mens forståelsen av egenskapene til is vil tillate forskere å plassere sensorene bredere fra hverandre enn deres opprinnelige konservative estimater. IceCube-Gen2 bør doble størrelsen på observatoriet for omtrent de samme kostnadene.
Utrolig vitenskap
IceCube begynte å jakte på nøytrinoer før den ble fullført, og produserte flere spennende vitenskapelige resultater underveis.
Mellom mai 2010 og mai 2012 observerte IceCube 28 meget høye energipartikler. Halzen tilskrev detektorens evne til å observere disse ekstreme hendelsene til fullførelsen av detektoren.
"Dette er den første indikasjonen på nøytrinoer med meget høy energi som kommer utenfor solsystemet vårt, med energier som er mer enn en million ganger de som ble observert i 1987 i forbindelse med en supernova sett i den store magellanske skyen," sier Halzen i en uttalelse. "Det er gledelig å endelig se hva vi har lett etter. Dette er begynnelsen av en ny tids astronomi."
I april 2012 ble et par nøytrinoer med høy energi oppdaget og kallenavnet Bert og Ernie, etter karakterene fra barne-TV-showet "Sesame Street." Med energier over 1 petaelectronvolt (PeV), var paret de første definitivt oppdagede nøytrinoer utenfor solsystemet siden supernovaen i 1987.
"Det er et stort gjennombrudd," sa Uli Katz, en partikkelfysiker ved University of Erlangen-Nuremberg, Tyskland, som ikke var involvert i forskningen. "Jeg tror det er et av de absolutt største funnene i astropartikkelfysikk," sa Katz til Space.com.
Disse observasjonene resulterte i at IceCube ble tildelt Physics World 2013 gjennomslag for året.
En annen stor gevinst kom 4. desember 2012, da observatoriet oppdaget en hendelse som forskerne kalte Big Bird, også fra "Sesame Street." Big Bird var en nøytrino med en energi som oversteg 2 kvadrillion elektronvolt, mer enn en million millioner ganger større enn energien fra en tannrøntgenstråle, pakket i en enkelt partikkel med mindre enn en milliondel av en elektronmasse. På det tidspunktet var det den høyeste energi-neutrinoen som noen gang er blitt oppdaget; Fra og med 2018 rangerer den fortsatt nummer to.
Ved hjelp av NASAs Fermi Gamma-ray Space telescope, bandt forskere Big Bird til det svært energiske utbruddet av en blazar kjent som PKS B1424-418. Blazars drives av supermassive sorte hull i sentrum av en galakse. Når det sorte hullet surrer ned materiale, blir noe av materialet avledet til jetfly som har så mye energi at de overvelder stjernene i galaksen. Jetene akselererer materien, og skaper nøytrinoer og fragmentene av atomer som skaper noen kosmiske stråler.
Fra sommeren 2012 skinte blazaren mellom 15 og 30 ganger lysere i gammastråler enn gjennomsnittet før utbruddet. Et langsiktig observasjonsprogram ved navn TANAMI, som rutinemessig overvåket nesten 100 aktive galakser på den sørlige himmelen, avslørte at kjernen i galakas jet hadde blitt lysere fire ganger mellom 2011 og 2013.
"Ingen andre av våre galakser observert av TANAMI i løpet av programmets levetid har vist en så dramatisk endring," sa Eduardo Ros, fra Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) i Tyskland, i en uttalelse fra 2016. Teamet beregnet at de to hendelsene var knyttet sammen.
"Tatt i betraktning alle observasjonene, ser blazaren ut til å ha hatt midler, motiv og mulighet til å skyte fra Big Bird-neutrinoen, noe som gjør det til vår viktigste mistenkt," sa Matthias Kadler, professor i astrofysikk ved University of Würzburg i Tyskland."
I juli 2018 kunngjorde IceCube at den for første gang hadde sporet nøytrinoer tilbake til kilden blazar. I september 2017, takket være et nylig installert varslingssystem som sendte til forskere over hele verden i løpet av få minutter etter å oppdage en sterk neutrino-kandidat, kunne forskere raskt vri teleskopene i retningen som det nye signalet oppsto. Fermi varslet forskere om tilstedeværelsen av en aktiv blazar, kjent som TXS-0506 + 056, i den samme delen av himmelen. Nye observasjoner bekreftet at blazaren blusset og ga lysere enn vanlige energiutbrudd.
For det meste er TXS en typisk blazar; det er en av de 100 lyseste blazarene som Fermi har oppdaget. Selv om de 99 andre også er lyse, har de imidlertid ikke kastet nøytrinoer mot IceCube. De siste månedene har TXS blusset, lysnet og dimmet så mye som hundre ganger sterkere enn tidligere år.
"Å spore den høyeenergi-neutrinoen som ble oppdaget av IceCube tilbake til TXS 0506 + 056, gjør dette til første gang vi har vært i stand til å identifisere et spesifikt objekt som den sannsynlige kilden til en så høyenerginøytrino," Gregory Sivakoff, University av Alberta i Canada, sa det i en uttalelse.
IceCube er ikke ferdig ennå. Det nye varslingssystemet vil holde astronomene på tå i de kommende årene. Observatoriet har en planlagt levetid på 20 år, så det er minst et tiår med utrolige funn som kommer fra Sydpolens observatorium.
