Forskere fanger længe ventet spøgelsespartikel på Sydpolen

Neutrinoer findes overalt.

Din krop bliver konstant bombarderet med milliarder af de bittesmå, usynlige partikler. Men du bemærker det aldrig, for ligesom et spøgelse går partiklerne lige igennem dig uden at efterlade sig spor.

Dermed er spøgelsespartiklerne – som de ofte bliver omtalt – ekstremt svære at opdage. Men på Sydpolen står en gigantisk detektor, kaldet IceCube, som er så følsom, at forskerne kan opsnappe signaler fra neutrinoer.

I et nyt studie, som er offentliggjort i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Science, har forskerne indfanget signaler fra en særlig type neutrinoer: Neutrinoer, som har en ekstremt høj energi, og som stammer fra vores egen galakse, Mælkevejen.

»Det er første gang vi er i stand til at se høj-energi-neutrinoer fra vores egen galakse. Derfor er det et meget spændende resultat. Vi ser det som begyndelsen på et nyt forskningsfelt indenfor galaktisk neutrino-astronomi,« siger Markus Ahlers, som er redigerende forfatter til det nye studie og dermed blandt de 350 IceCube-forskere, som står bag den nye opdagelse.

Budbringere fra universet

At neutrinoer kan rejse lige igennem dig, dit hus og resten af Jordkloden, uden at du opdager det, skyldes, at partiklerne kun påvirker deres omgivelser i ekstremt sjældne tilfælde – eller med fysikernes ord er neutrinoer meget svagt vekselvirkende.

Det er både en fordel og en ulempe for forskerne.

En fordel, fordi det betyder, at neutrinoer kan rejse uhindret gennem rummet og medbringe information fra de fjerneste egne af universet. Men en ulempe, fordi det gør det ekstremt svært for forskerne at opsnappe de bittesmå budbringere fra rummet.

Rundt omkring i universet kan neutrinoerne blive produceret af et væld af forskellige fænomener, og på den måde kan forskerne altså lære om disse fænomener ved at studere neutrinoerne.

Ekstremt energirige

Når det gælder neutrinoer med meget høj energi, er forskerne hidtil kun lykkedes med at opfange eksemplarer, som stammer fra kilder udenfor vores egen galakse, Mælkevejen. Altså neutrinoer, som er blevet skabt langt, langt borte.

»Men man har haft en klar forventning om, at der også blev produceret høj-energi-neutrinoer inde i vores egen galakse. Derfor er det nye resultat forventet, men det er vigtigt at få bekræftet, at vores modeller er rigtige. Så det er er fedt resultat, som bygger på meget grundigt arbejde,« siger Thomas Tram, som blandt andet forsker i neutrinoer ved Aarhus Universitet og ikke har været en del af det nye studie.

Han tilføjer, at der vitterligt er tale om ekstremt energirige partikler. Højenergi-neutrinoerne har en energi, som er op mod millioner eller milliarder gange større end energien i partikler, som produceres i fusionsprocesser i Solen og andre stjerner.

»Det er ekstremt særlige partikler, som kommer fra de vildeste områder af universet,« siger Thomas Tram, som er lektor ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

»Derfor kunne vi godt tænke os at blive klogere på, hvor de kommer fra, og hvad der giver dem de høje energier,« tilføjer han.

Skabt i Mælkevejen

Forskernes modeller siger blandt andet, at en energirig stråling kaldet gammastråling kan blive produceret af de samme astrofysiske processer som højenergi-neutrinoer.

Eftersom forskerne allerede har fundet gammastråling i Mælkevejen, forventede de også at se de energirige neutrinoer blive skabt samme sted.

Hidtil er det bare ikke lykkedes at bekræfte denne teori, men nu mener forskerne altså, at de har fundet overbevisende spor efter ekstremt energirige neutrinoer, som produceres i Mælkevejen.

Thomas Tram påpeger dog, at der statiststik set er en meget lillebitte risiko for, at målingerne ikke holder vand – at det blot er et tilfældigt fund af signaler, som minder om, hvad vi ville forvente af de særlige neutrinoer.

»Der er en lille brøkdel af en procents risiko for, at de blot har gjort et tilfældigt fund, som ikke skyldes neutrinoer fra vores egen galakse. Men hvis jeg skulle vædde mine egne penge, ville jeg vædde på, at de rent faktisk er lykkedes med at se dem,« siger Thomas Tram, som dermed mener, at de nye resultater er overbevisende.

Gigantisk detektor i isen

Metoden, som forskerne udnytter til deres eksperiment, kræver ikke mindre end en hel kubikkilometer is på Sydpolen.

»Fordi neutrinoer kun vekselvirker meget svagt med deres omgivelser, er vi nødt til at bygge meget store detektorer for at kunne opfange signalet fra dem. Du kan forestille dig, at vi har smeltet dybe kolonner næsten tre kilometer ned i isen og sænket kabler derned, hvorpå der sidder meget sensitive kameraer,« forklarer Markus Ahlers, som er adjunkt på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Dermed udnytter forskere, at neutrinoerne i sjældne tilfælde faktisk interagerer – vekselvirker - med deres omgivelser og dermed udsender et lille signal, som de sensitive kameraer i isen kan opfange.

»Når neutrinoerne vekselvirker med isen, bliver der udsendt et lille lysglimt, kendt som Cherenkovstråling. Det er det glimt, som kameraerne i isen kan opfange,« forklarer Markus Ahlers.

Hjælp fra AI

Siden 2007 har de 5.000 kameraer under isen i Antarktis summet løs og opfanget signaler fra alverdens neutrinoer.

Fundet af de nye signaler fra højenergi-neutrinoer fra Mælkevejen er blevet gjort ved at få kunstig intelligens – maskinlæring - til at søge efter signaler fra de særlige, men sjældne neutrinoer. Den kunstige intelligens har trawlet 10 års data og signaler fra omkring 60.000 neutrinoer igennem for at gøre det nye fund.

»Det er et meget svært forsøg, for de skal frasortere rigtig meget støj fra deres målinger. De ser masser af neutrinoer, som de ikke er interesserede i. Langt de fleste neutrinoer bliver skabt i Jordens atmosfære,« siger Thomas Tram og fortsætter:

»Så ratioen er omkring én til 100 millioner i forhold til de neutrinoer, de gerne vi have fat i, og som de skal kunne genkende.«

Åbner nyt kapitel for forskning

Forskerne håber på, at den nye metode, hvor de bruger kunstig intelligens, vil kunne gøre det endnu nemmere at udnytte neutrinoer til at fravriste universet hemmeligheder.

Markus Ahlers påpeger, at vi tidligere blot har udforsket universet ved hjælp af fotoner (elektromagnetisk stråling) i forskellige bølgelængder – synligt lys, radiobølger, gammastråling, ultraviolet stråling og lignende.

»Det er alt sammen fotoner med forskellig bølgelængde. Alt afhængig af om du udnytter synligt lys eller radiobølger får du forskellige historier om universet. Men med neutrinoer får vi pludselig en helt ny slags budbringer, som kan åbne et nye vinduer til at udforske universet,« siger Markus Ahlers.

Dermed er fundet af højenergi-neutrinoer altså et nyt vindue til at blive klogere på vores egen galakse Mælkevejen, påpeger han. På samme måde som tyngdebølger – gravitationsbølger - også har sparket døren ind til en ny måde at udforske universet.

Du kan læse det nyeste kapitel i historien om gravitationsbølgers muligheder for at afsløre universets dybeste hemmeligheder i denne artikel.