Detektor på Sydpolen udforsker de mystiske neutrinoer

Neutrinoer er blandt naturens mest talrige partikler. Deres antal overstiger langt antallet af atomer i hele universet – alligevel ved vi meget lidt om dem. Neutrinoer er en type partikler, som er skabt i Big Bang, og som også produceres i Solens indre og i voldsomme begivenheder såsom supernovaer, der er eksploderende stjerner. Neutrinoer kaldes også for ’spøgelsespartikler’, fordi de stort set ikke vekselvirker med stoffer, men passerer uforstyrret igennem alt på deres vej.

Instrumenter på Sydpolen

Forskere fra 44 institutioner i 12 lande er med i et internationalt projekt, IceCube på Sydpolen for at studere de mystiske partikler med de mærkværdige egenskaber. IceCube er en enorm partikeldetektor, der er placeret dybt nede i isen på Sydpolen. Instrumenterne i detektoren består af 86 kabler med hver 60 Digitale Optiske Moduler (ekstremt følsomme lys-sensorer). Hvert kabel er ført ned gennem et hul, der er smeltet med et varmtvandsbor gennem den 2½ km tykke is. Detektoren befinder sig langt nede under overfladen - den begynder 1½ km nede i isen og ender ved bunden i en dybde af 2½ km.

Detektorens enorme størrelse på en kubikkilometer er nødvendig, da neutrinoer vekselvirker uhyre svagt med stof, så der kun meget sjældent sker sammenstød med atomerne i isen. Når de endelig støder sammen, skabes der ladede partikler, som udsender stråling, der kan registreres af de ekstremt følsomme Digitale Optiske Moduler.

”I Ice Cube-projektet har vi registreret ca. 35 neutrinoer, som sandsynligvis er kommet langvejs fra i rummet. De har en meget høj energi, og da de ikke har vekselvirket undervejs på deres lange rejse, kan de medbringe viden fra de fjerneste egne af universet. Ud over de sjældne kosmiske neutrinoer studerer vi også de neutrinoer, som skabes i Jordens atmosfære for at opklare neutrinoernes fysiske egenskaber”, siger Jason Koskinen, lektor og leder af IceCube-gruppen på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet.

Fra Nordpolen til Sydpolen

Når partikler (protoner) med høj energi – fra voldsomme begivenheder i kosmos f.eks. supernovaer og kvasarer, rammer Jordens atmosfære, dannes der en byge af neutrinoer, der farer gennem Jorden. De neutrinoer, der dannes over Nordpolen går lige igennem Jorden, og en ganske lille del af dem rammer isen på Sydpolen, hvor sammenstødene registreres i IceCube detektoren. 

Neutrinoer er meget lette partikler, og i mange år troede man, at de var helt masseløse. Man mener nu, at neutrinoerne består af tre typer (elektron-, myon- og tau-neutrinoer) med hver deres bestemte masse, som dog er uhyre lille - under en milliontedel af elektronens masse.

”De neutrinoer, som skabes, når de rammer atmosfæren over Nordpolen, er mest myon-neutrinoer, som har en høj energi. Undervejs gennem Jordens 13.000 km gennemgår myon-neutrinoerne kvantemekaniske svingninger, der kan ændre dem til en anden type neutrino, tau-neutrinoer før de eventuelt registreres af IceCube på den anden side af jordkloden. Vi kan nu studere sådanne effekter i langt større detalje end før, og på den måde kan vi få ny viden om deres fysiske egenskaber”, fortæller Jason Koskinen.

Atmosfæriske neutrinoer

Forskningsgruppen har nu studeret atmosfæriske neutrinoer i IceCube-detektoren på Sydpolen i tre år og analyseret 5.700 vekselvirkninger mellem atmosfæriske neutrinoer og atomer i isen. De data er blevet analyseret.

”Vi har bekræftet, at neutrinoer undergår svingninger - også ved høje energiniveauer, og vi har beregnet, hvor meget, de udviser svingninger. I denne undersøgelse er det udelukkende myon-neutrinoer, vi har målt på, og i forhold til, hvor mange myon-neutrinoer, der dannes i atmosfæren og rejser igennem Jorden, ser vi kun en brøkdel. Forklaringen er, at myon-neutrinoerne undergår kvantemekaniske svingninger, der ændrer dem til tau-neutrinoer, og dem ser vi ikke. Hvis ikke de havde ændret sig, ville vi se dem alle sammen. Vores beregninger viser, at 20 procent har undergået kvantemekaniske svingninger og ændret sig fra myon-neutrinoer til en anden type neutrino på rejsen gennem Jorden”, fortæller Jason Koskinen.

Budbringere fra universet

Og hvad så, kunne man spørge? ”Fordi vi grundlæggende gerne vil lære mere om disse mærkværdige partikler, som er allevegne i universet og hvis egenskaber, vi stadig ikke helt forstår. Når vi forstår dem, vil vi i fremtiden kunne udnytte dem. Da neutrinoer kommer fra kosmos, vil vi kunne bruge dem til astronomiske observationer og få helt ny viden om universets opbygning”, siger Jason Koskinen.

• Artikel i Physical Review D >>
• Artikel på arXiv >>

Emner