Ytanläggningen för IceCube-experimentet, som ligger under nästan 1 mil (1,6 kilometer) is i Antarktis. IceCube antyder att spöklika neutrinoer inte finns, men ett nytt experiment säger att de gör.
(Bild: © med tillstånd av IceCube Neutrino Observatory)
I den iskalla ödemarken i Antarktis sitter en massiv partikeldetektor, IceCube Neutrino Observatory. Men att söka på ytan efter instrumentet kommer att bli svårt, eftersom huvuddelen av observatoriet är fångat under isen. Det internationella observatoriet har jaktat på neutrino - masslösa, laddningsbara partiklar som nästan aldrig interagerar med materien. Nu kan dess observationer lösa ett av de största mysterierna inom astronomi och besvara frågorna bakom ursprunget till neutrinoer och kosmiska strålar.
Den största av dem alla
IceCube Neutrino Observatory täcker en kubik kilometer nära Sydpolen. Instrumentet täcker en kvadratkilometer av ytan och sträcker sig ner till 1 500 meter djup. Det är den första gigaton neutrino detektorn som någonsin har byggts.
Medan fotografier av IceCube ofta visar en byggnad som sitter på den snöiga ytan, görs det verkliga arbetet nedan. Multifunktionsexperimentet inkluderar en ytuppsättning, IceTop, en grupp med 81 stationer som sitter ovanför strängarna. IceTop fungerar som en kalibreringsdetektor för IceCube, liksom att upptäcka luftduschar från primära kosmiska strålar, och deras flöde och sammansättning.
Den täta inre underdetektorn DeepCore är kraftcentrumet för IceCube-experimentet. Var och en av IceTop-stationerna består av strängar kopplade till digitala optiska moduler (DOM) som är utplacerade på ett sexkantigt rutnät med 125 meters avstånd från varandra. Varje sträng har 60 basket-storlekar. Här, djupt inne i isen, kan IceCube jaga efter neutrinoer som kommer från solen, inifrån Vintergatan och utanför galaxen. Dessa spöklika partiklar är anslutna till kosmiska strålar, de högsta energipartiklar som någonsin har observerats.
[Relaterat: Spåra en Neutrino till dess källa: Upptäckten i bilder]
Mystiska partiklar
Kosmiska strålar upptäcktes först 1912. De kraftfulla strålningsutbrotten kolliderar kontinuerligt med jorden och strömmar in från alla delar av galaxen. Forskare beräknade att de laddade partiklarna måste bildas i några av de mest våldsamma och minst förstådda föremål och händelser i universum. En stjärnas, en supernovas explosiva stjärndöd, ger en metod för att skapa kosmiska strålar; de aktiva svarta hålen i galaxens centrum en annan.
Eftersom kosmiska strålar består av laddade partiklar interagerar de emellertid med magnetfält för stjärnor och andra föremål som de passerar. Fälten varpar och skiftar vägen för de kosmiska strålarna, vilket gör det omöjligt för forskare att spåra dem tillbaka till sin källa.
Det är där neutrinoer spelar in. Liksom kosmiska strålar tros lågmasspartiklarna bildas genom våld. Men eftersom neutrinoer inte har någon laddning passerar de magnetfält utan att ändra deras väg och reser i en rak linje från deras källa.
"Av denna anledning har sökandet efter källor till kosmiska strålar också blivit sökandet efter mycket högenergin neutrino," enligt IceCubes webbplats.
Men samma egenskaper som gör neutrinoer till sådana bra budbärare betyder också att de är svåra att upptäcka. Varje sekund passerar cirka 100 miljarder neutriner genom en kvadrat tum av din kropp. De flesta av dem kommer från solen och är inte tillräckligt energiska för att identifieras av IceCube, men vissa kommer troligen att ha producerats utanför Vintergatan.
Spotting neutrino kräver användning av mycket tydligt material som vatten eller is. När en enda neutrino kraschar in i en proton eller neutron i en atom producerar den resulterande kärnreaktionen sekundära partiklar som avger ett blått ljus känt som Cherenkov-strålning.
"Neutrinoerna som vi upptäcker är som fingeravtryck som hjälper oss att förstå de föremål och fenomen där neutrinoerna produceras," säger IceCube-teamet.
Hårda förhållanden
Sydpolen kanske inte är yttre rymden, men den ger sina egna utmaningar. Ingenjörerna började bygga på IceCube 2004, ett sjuårigt projekt som avslutades enligt schema 2010. Konstruktionen kunde bara äga rum under några månader varje år över den södra halvklotets sommar, som inträffar från november till februari.
Borrning av 86 hål krävde en speciell typ av borr - två av dem faktiskt. Den första avancerade genom firn, ett lager av komprimerad snö, ner till cirka 50 meter. Sedan smälte en högtrycksvattenborr genom isen med en hastighet av cirka 2 meter (6,5 fot) per minut, ner till djupet på 2,450 meter (8 038 fot eller 1,5 mil).
"Tillsammans kunde de två borrarna konsekvent producera nästan perfekta vertikala hål redo för användning av instrumentering med en hastighet på ett hål varannan dag", enligt IceCube.
Strängarna måste sedan snabbt sättas ut i det smälta vattnet innan isen fryser igen. Frysningen tog några veckor för att stabilisera, varefter instrumenten förblev orörbara, permanent frusna i isen och inte kunde repareras. Instrumentens felfrekvens har varit extremt långsam, med färre än 100 av de 5 500 sensorer som för närvarande inte är operativa.
IceCube började göra observationer från början, även medan andra strängar sändes ut.
När projektet började var forskare oklara om hur långt ljus skulle gå genom isen, enligt Halzen. Med den informationen väl etablerad fungerar samarbetet mot IceCube-Gen2. Det uppgraderade observatoriet skulle lägga till cirka 80 fler detektorsträngar, medan förståelsen för isens egenskaper gör det möjligt för forskare att placera sensorerna bredare från varandra än deras ursprungliga konservativa uppskattningar. IceCube-Gen2 bör fördubbla observatoriets storlek för ungefär samma kostnad.
Otrolig vetenskap
IceCube började jaga efter neutrino innan den avslutades, vilket gav flera spännande vetenskapliga resultat på vägen.
Mellan maj 2010 och maj 2012 observerade IceCube 28 mycket högenergipartiklar. Halzen tillskrev detektorns förmåga att observera dessa extrema händelser till detektorns slutförande.
"Detta är den första indikationen på mycket högenergin neutrinoer som kommer utanför vårt solsystem, med energier mer än en miljon gånger de som observerades 1987 i samband med en supernova sett i det stora magellanska molnet," säger Halzen i ett uttalande. "Det är glädjande att äntligen se vad vi har letat efter. Detta är gryningen för en ny tid av astronomi."
I april 2012 upptäcktes och fick smeknamnet Bert och Ernie ett par högenergin neutrinoer efter karaktärerna från barnens TV-program "Sesame Street." Med energier över 1 petaelectronvolt (PeV) var paret de första definitivt detekterade neutrinoerna utanför solsystemet sedan 1987 supernova.
"Det är ett stort genombrott", sa Uli Katz, en partikelfysiker vid universitetet i Erlangen-Nürnberg, Tyskland, som inte var involverad i forskningen. "Jag tror att det är en av de absolut största upptäckterna inom astropartikelfysik," sa Katz till Space.com.
Dessa observationer resulterade i att IceCube tilldelades årets genombrott för fysikvärlden 2013.
En annan stor utbetalning kom den 4 december 2012, då observatoriet upptäckte en händelse som forskarna kallade Big Bird, också från "Sesame Street." Big Bird var en neutrino med en energi som översteg 2 quadrillion elektronvolt, mer än en miljon miljoner gånger större än energin från en tandröntgenstråle, packad i en enda partikel med mindre än en miljondel av en elektronmassa. Då var det den mest energin neutrino som någonsin upptäckts; från och med 2018 rankas det fortfarande på andra plats.
Med hjälp av NASA: s Fermi Gamma-ray Space telescope band forskare Big Bird till det mycket energiska utbrottet av en blazar känd som PKS B1424-418. Blazars drivs av supermassiva svarta hål i mitten av en galax. När det svarta hålet gabbar ner material, avböjs en del av materialet till strålar med så mycket energi att de överträffar stjärnorna i galaxen. Strålarna påskyndar materien och skapar neutrinoer och fragmenten av atomer som skapar några kosmiska strålar.
Från sommaren 2012 skinade blazaren mellan 15 och 30 gånger ljusare i gammastrålar än dess genomsnitt före utbrottet. Ett långsiktigt observationsprogram med namnet TANAMI, som rutinmässigt övervakade nästan 100 aktiva galaxer på södra himlen, avslöjade att kärnan i galaxens jet hade ljusnat fyra gånger mellan 2011 och 2013.
"Ingen annan av våra galaxer som observerats av TANAMI under programmets liv har uppvisat en så dramatisk förändring," sade Eduardo Ros, från Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) i Tyskland, i ett uttalande 2016. Teamet beräknade att de två händelserna var länkade.
"Med hänsyn till alla observationerna verkar blazaren ha haft medel, motiv och möjlighet att avfyra Big Bird-neutrino, vilket gör det till vår främsta misstänkta," sa Matthias Kadler, professor i astrofysik vid universitetet i Würzburg i Tyskland."
I juli 2018 tillkännagav IceCube att den för första gången hade spårat neutriner tillbaka till deras källa blazar. I september 2017, tack vare ett nyinstallerat varningssystem som sände till forskare runt om i världen inom några minuter efter upptäckten av en stark neutrinkandidat, kunde forskare snabbt vrida sina teleskop i den riktning som den nya signalen kom från. Fermi varnade forskare för närvaron av en aktiv blazar, känd som TXS-0506 + 056, i samma del av himlen. Nya observationer bekräftade att blazaren blossade och släppte ljusare än vanliga energibar.
För det mesta är TXS en typisk blazar; det är en av de 100 ljusaste blazarna som upptäckts av Fermi. Men medan de 99 andra också är ljusa, har de inte kastat neutrinoer mot IceCube. Under de senaste månaderna har TXS blossat, ljusnat och dimnat så mycket som hundra gånger starkare än tidigare år.
"Att spåra den högenergin neutrino som upptäckts av IceCube tillbaka till TXS 0506 + 056 gör detta till första gången vi har kunnat identifiera ett specifikt objekt som den troliga källan till en sådan högenerginutrino," Gregory Sivakoff, universitetet av Alberta i Kanada, sade i ett uttalande.
IceCube är inte klar än. Det nya varningssystemet kommer att hålla astronomer på tårna under kommande år. Observatoriet har en planerad livslängd på 20 år, så det finns åtminstone ytterligare ett decennium av otroliga upptäckter som kommer från södra polens observatorium.
