Djupt nere i glaciärisen vid Sydpolen finns IceCube, ett av världens mest avancerade observatorier för studier av neutriner som når oss från yttre rymden. Nu, 15 år efter att IceCube färdigställdes har det skett en omfattande uppgradering där svenska forskare haft en väsentlig roll. Uppgraderingen förväntas leda till nya upptäckter inom neutrinoastronomi och partikelfysik.
IceCube som ligger vid Sydpolen är ett unikt teleskop med mer än 5 000 ljussensorer djupt nere i den antarktiska glaciären. Sensorerna används för att upptäcka neutriner, nästan masslösa partiklar som kommer från yttre rymden men även från jordens atmosfär. Eftersom de sällan reagerar med materia kan neutriner ge insyn i annars dolda extrema kosmiska miljöer och ge värdefull information om sina källor.
År 2019 godkände amerikanska National Science Foundation tillsammans med amerikanska och internationella partners finansiering av IceCube Upgrade-projektet, en uppgradering som avsevärt skulle öka den vetenskapliga kapaciteten hos observatoriet. Sju år senare har IceCube Upgrade nu installerats, vilket markerar den första betydande utbyggnaden av IceCube sedan den slutfördes för 15 år sedan.
Uppgraderingen består av sex nya kablar, eller strängar, med ljussensorer som placeras tätt tillsammans djupt nere i mitten av den befintliga 86-strängade detektorn. Tillsammans tillför de över 600 nya och förbättrade ljussensorer samt kalibreringsinstrument till dem som redan finns inbäddade i isen.
− Den här uppgraderingen av detektorn ger nya möjligheter för upptäckter inom neutrinoastronomi och partikelfysik och är ett betydande steg framåt för IceCube-teamet, säger Erin O’Sullivan, docent vid Uppsala universitet och talesperson för IceCube.
Ny möjlighet att studera neutriner och kosmisk strålning
Den antarktiska isens orörda kvalitet gör den till ett idealiskt medium för att fånga det svaga ljus som avges av laddade partiklar som produceras när neutriner krockar med atomer i isen. IceCube-samarbetet, med över 450 forskare från hela världen, använder dessa ljusmönster för att rekonstruera neutrinons energi och riktning och bestämma dess ursprung. Förbättringarna som implementeras med uppgraderingen kommer att möjliggöra mer exakta mätningar av neutrinoegenskaper som till exempel neutrinoscillationer och gör IceCube till det främsta neutrinoexperimentet för oscillationsmätningar med atmosfäriska neutriner. Neutrinooscillationer är ett kvantmekaniskt fenomen där neutriner omvandlas under färd och är väldigt viktigt för förståelsen av neutrinons egenskaper och av materian i stort.
Uppgraderingarna kommer även förbättra möjligheten att karakterisera den omgivande isen, vilket leder till en mer exakt rekonstruktion av neutrinohändelser och en ny analys av 15 års arkiverad data. Dessutom kommer uppgraderingen att förbättra forskarnas förmåga att bestämma den kosmiska strålningens sammansättning och mäta neutriner från galaktiska supernovor.
Svensk teknik central vid både uppstart och uppgradering
Svenska grupper vid Uppsala universitet och Stockholms universitet var bland grundarna till AMANDA, prototypprojektet på Sydpolen som demonstrerade genomförbarheten av isbaserad neutrinoastronomi. Sverige bidrog så småningom i betydande omfattning till konstruktionen av IceCube, bland annat genom att bygga cirka 20 procent av detektorns sensormoduler och utveckla kablarna som förser sensorerna med elektricitet och möjliggör kommunikation med datorer på ytan. För IceCube Upgrade har Sverige återigen bidragit till kabelutvecklingen tillsammans med företaget Hexatronic AB i Hudiksvall. Dessutom utvecklade forskare i Stockholm och Uppsala styrbara kameror som möjliggör studier av variationer i isens egenskaper och kopplar dessa till kalibreringsdata. Sex kameramoduler som byggts i Sverige specifikt för uppgraderingen har placerats ut i isen. De används för att följa infrysningen av de vattenfyllda hålen där uppgraderingssträngarna sänktes ner.
− Vi började få de första bilderna från kamerorna medan installationen av strängarna fortfarande pågick. Det var en fantastisk känsla att se att de fungerade som avsett, två kilometer ner i glaciären och under mycket högt tryck när vattnet i borrhålet fryser till igen, säger Chad Finley, professor i fysik vid Stockholms universitet.
− Kamerabilderna kommer att användas för att karakterisera egenskaperna hos den återfrusna isen i hålen samt glaciärisen mellan strängarna. En grundlig förståelse av de optiska egenskaperna hos isen som omger sensormodulerna är av stor betydelse för exakt rekonstruktion av neutrinoriktningarna och avgörande för neutrinoastronomi, säger Olga Botner, seniorprofessor vid Uppsala universitet.
Letar efter tecken på liv i isen
Uppgraderingen gav också en möjlighet att stödja andra vetenskapliga strävanden. I samarbete med U.S. Geological Survey installerades två seismometrar i den antarktiska isen. Dessa seismometrar är de djupaste i världen och kommer att hjälpa forskare att övervaka jordbävningar med bättre precision. Man har också samlat in vattenprover åt mikrobiologer i USA som letar efter tecken på liv i den djupa isen.
De svenska insatserna inom IceCube Upgrade stöds av Vetenskapsrådet/RFI och Polarforskningssekretariatet vars personal bistod med förberedelser och installation av utrustning vid Sydpolen. Fyra svenskar var bland de 50 forskarna som deltog i vinterns Sydpolskampanj.
