Gennembrud på Sydpolen: Nu kan neutrinoer bruges til astronomi
Astrofysikerne kan begynde at bruge spøgelsesagtige elementarpartikler kaldet neutrinoer til at blive klogere på nogle af de voldsomste begivenheder i universet. På Antarktis er det nemlig lykkedes at fange spor efter neutrinoer, der kommer fra det ydre rum.

IceCube er begravet under halvanden kilometer is ved Sydpolen på Antarktis. Oppe på isen har forskerne et laboratorium. Boblerne forneden angiver, hvor meget lys detektorerne opfangede, da en af de mest energirige neutrinoer kom forbi. (Illustration: IceCube Collaboration)

Neutrinoer fra fjerne galakser har tilbagelagt millioner af lysår for til sidst at fare gennem Jorden og give sig til kende dybt nede i isen på Sydpolen.

Ved hjælp af detektoren IceCube, der er begravet dybt nede i isen på Sydpolen, har forskerne fundet spor efter 21 af disse kosmiske neutrinoer, der først har været en tur igennem jordkloden.

Det fremgår af en videnskabelig artikel, der er blevet publiceret i det anerkendte tidsskrift Physical Review Letters. Den kan også findes frit tilgængeligt på preprint-serveren ArXiv.
 

NBI-forskere er med i front

Blandt artiklens forfattere er fem forskere fra Niels Bohr Institutet (NBI) på Københavns Universitet, for NBI er nemlig med i IceCube-samarbejdet. En lille gruppe på instituttet arbejder med at analysere data fra detektoren. 

»Det nye er, at vi har opdaget kosmiske neutrinoer, der er kommet hele vejen igennem Jorden for at nå frem til detektoren,« fortæller professor Subir Sarkar, der var med til at danne IceCube-gruppen på NBI og som er medforfatter på den videnskabelige artikel.

»Det åbner muligheden for, at neutrinoer kan bruges i astronomien. Med tiden vil vi kunne skabe et kort over himlen og se, hvor neutrinoerne kommer fra - om de kommer fra særlige steder. Så kan vi måske finde ud af, hvordan disse højenergiske neutrinoer dannes.«

Som et astronomisk observatorium kan en neutrinodetektor som IceCube give en melding om, hvor det kan være smart at rette teleskoper hen. Inden for en usikkerhed på en halv grad kan forskerne nemlig sige, hvorfra en energirig, kosmisk neutrino kom fra.

5.160 sensorer under isen

Neutrinoer er lette elementarpartikler, som der findes ekstremt mange af i universet. Imidlertid er de spøgelsesagtige neutrinoer uhyre svære at detektere, for de vekselvirker næsten ikke med andet stof. De har en tendens til at fare lige igennem alting, og hver eneste sekund passerer milliarder af neutrinoer igennem hver kvadratcentimeter af vores kroppe og alt omkring os.

Det kan dog ske, at en neutrino rammer en atomkerne, hvorved der dannes en anden slags elementarpartikel kaldet en myon - en slags tungere fætter til elektronen. Det er faktisk myonerne, der kan detekteres i IceCube-detektoren, for de efterlader et lysspor, når de farer igennem isen.

IceCube består af 5.160 optiske sensorer, der er placeret i et netværk i en kubikkilometer af isen mellem 1,5 og 2,5 kilometer nede. Lys passerer nemt gennem den rene is, og det er altså lysglimt fra myonerne, der fører forskerne på sporet af neutrinoerne.

Jorden fungerer som filter

Tidligere har IceCube-forskerne fundet spor efter kosmiske neutrinoer, der farede fra syd mod nord, men det nye resultat er mere sikkert, fordi forskerne nu har koncentreret sig om neutrinoer, der kom fra den nordlige himmelkugle og således har været igennem Jorden på vej til Sydpolen.

»Vi bruger Jorden som et stort filter,« forklarer Subir Sarkar. »Det er kun neutrinoer, der er i stand til at trænge hele vejen igennem jordkloden, så når signalet kommer nordfra, er det ikke forurenet af støj fra andre partikler.«

De røde cirkler viser, hvorfra de 21 kosmiske neutrinoer kom fra. Tallet angiver deres energi i TeV. Som det fremgår, kommer neutrinoerne fra alle mulige steder på den nordlige himmelkugle. (Illustration: IceCube Collaboration)

Mellem maj 2010 og maj 2012 fandt forskerne spor efter 35.000 myon-neutrinoer i IceCube, men langt de fleste af dem stammer fra Jordens atmosfære. De opstår, når kosmisk stråling vekselvirker med atomkerner i den øvre atmosfære. Nogle få af dem lader dog til at komme langvejs fra:

»Vi kender efterhånden de atmosfæriske neutrinoer rigtig godt. Vi ved, hvor de kommer fra, og hvilke energier, de typisk har. Så vi er i stand til at frasortere dem, så der kun er de kosmiske neutrinoer tilbage,« siger Subir Sarkar.

Neutrinoerne har enorme energier

De 21 neutrinoer, der passerede gennem Jorden, og som højst sandsynligt stammer fra kosmiske kilder, havde fuld fart på. De havde energier på mellem 100 og 1.700 teraelektronvolt (TeV). Til sammenligning kan protonerne i den enorme partikelaccelerator LHC ved forskningscenteret CERN højst accelereres op til at have en energi af 7,5 TeV.

Spørgsmålet er så, hvilke af universets fænomener der er i stand til at fremtrylle disse meget energirige neutrinoer.

»For at skabe neutrinoerne skal der endnu mere energirige partikler til, for eksempel protoner. De må være blevet accelereret i et uhyre stærkt magnetfelt,« lyder det fra Subir Sarkar.

»Så vi prøver at regne os frem til, hvordan naturen kan gøre det så meget bedre end LHC. Det kræver nogle af universets mest eksotiske fænomener, for eksempel aktive galaksekerner, der drives af supermassive sorte huller i centrum af galakser.«

»Måske udsendes der også energirige neutrinoer i forbindelse med gammaglimt - enorme kosmiske eksplosioner. Vi har endnu ikke målt neutrinoer, der kom fra samme retning og på samme tidspunkt som gammaglimt, men vi regner med, at der kan være sammenfald.«

Gylden fremtid for neutrinoastronomi

Endnu har neutrino-astronomien kun lige trådt sine barnesko, men forventningerne til teknikken er store. Det bekræfter professor Ulrik Uggerhøj fra Aarhus Universitet, der ikke selv var involveret i dette videnskabelige arbejde, men som har beskæftiget sig en del med neutrinoer:

»Det kan være begyndelsen på en ny æra i astronomien - en ny måde at kigge ud i universet. Nu er det hinsides enhver rimelig tvivl, at man kan observere kosmiske neutrinoer.«

»Vi ved, at der findes kosmiske partikler med helt ekstreme energier. En enkelt partikel kan have lige så meget energi som en tennisbold, der sendes af sted af en knaldhård serv. Rent teoretisk er det svært at finde mekanismer, der kan give partikler så høj en energi, men med neutrino-astronomi kan vi måske finde ud af, hvor partiklerne kommer fra.«

Ulrik Uggerhøj fortæller, at der er fremskredne planer for nye neutrino-eksperimenter, der skal placeres i den antarktiske eller grønlandske is. For eksempel har forskerne planer om at grave detektorer ned i isen på Ross isshelf, en kæmpemæssig flydende iskappe ved Antarktis, i forbindelse med et projekt kaldet Arianna

»Her kunne man bygge en meget større detektor, som samtidig har god retningsfølsomhed. Så man er altså i fuld gang med at designe næste generation af neutrinodetektorer, der kan bruges til astronomi,« slutter Ulrik Uggerhøj.

Spøgelsespartikler er svære at fange

Neutrinoer er meget lette elementarpartikler, der ikke har nogen elektrisk ladning, og som kun meget sjældent vekselvirker med andet stof. Derfor passerer de nemt igennem alting. Der findes tre forskellige typer, nemlig elektron-neutrinoer, myon-neutrinoer og tau-neutrinoer, plus deres respektive antipartikler.

Eksistensen af neutrinoer blev forudsagt i 1930, da fysikere studerede det radioaktive beta-henfald. De opdagede, at der forsvandt noget energi ved henfaldene, og der måtte være en partikel, der bar denne energi væk. Først i 1956 blev neutrinoernes eksistens bekræftet i et eksperiment.

Neutrinoer dukker op ved kerneprocesser, for eksempel ved visse former for radioaktivt henfald, i atomreaktorer, i stjerner og supernovaer og når kosmisk stråling - højenergiske partikler fra rummet - rammer atomkerner i atmosfæren. Langt størstedelen af de neutrinoer, der går igennem Jorden, stammer fra Solen.

De spøgelsesagtige partikler er i stand til at forvandle sig i flugten, så en myon-neutrino eksempelvis kan blive til en elektron-neutrino. Ved hjælp af enorme eksperimenter prøver forskerne at blive klogere på dette fænomen, for så kan de også finde ud af, hvad neutrinoerne vejer og hvilken rolle, de har spillet for universets udvikling.

Detektionen af elementarpartiklerne kan desuden bruges som et astronomisk instrument. Forskerne vil gerne vide, hvor de mest energirige neutrinoer  kommer fra, for de må opstå i forbindelse med uhyre voldsomme begivenheder i universet. 

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud

Det sker