Ansökan: Driftsbidrag för neutrinoobservatoriet IceCube

Tidsperiod:

1 januari 2011 – 31 december 2013

Projektledare:

Olga Botner

Projektdeltagare:

Christian Walck, Carlos Pérez de los Heros, Allan Hallgren, Klas Hultqvist

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

4 089 000 SEK

Universums hemligheter kan utforskas genom att studera partikelstrålningen från kosmiska källor. Under de senaste åren har man allt oftare framhävt värdet av att särskilt undersöka neutrinoflödet från universum som ett komplement till studier av den elektromagnetiska strålningen och strålningen av laddade partiklar. Neutriner växelverkar enbart svagt och kan därför färdas genom stora mängder materia utan att absorberas. De kan därför vara de enda partiklar som kan förmedla information från annars otillgängliga källor. Samtidigt innebär neutriners stora genomträngningsförmåga att de blir svåra att detektera, och det krävs en stor instrumenterad detektorvolym. Detta innebär att detektormaterialet måste vara lätttillgängligt i stor mängd, samt genomskinligt för det blåa s.k. Cherenkovljuset som signalerar passagen av en neutrinoproducerad laddad partikel. Detta innebär i praktiken vatten eller is. IceCube är ett isbaserat neutrinoteleskop under uppförande i den klara glaciärisen vid Sydpolen. I färdigt skick kommer IceCube att omfatta en instrumenterad volym på ungefär 1 km3, vilket är ett minimum för effektiva studier av de mest intressanta fenomenen då de förväntade neutrinoflöden är mycket små. Föregångaren AMANDA stängdes 2009. I gengäld har IceCube utökats med en s.k. Deep Core detektor placerat djupt nere i den klaraste isen i centrum av IceCube.

Installationen av IceCube påbörjades 2004/2005 och detektorn består f.n. av 79 strängar (inkl. Deep Core) med totalt 4740 ljusdetektorer. Sensorerna har frusits in i isen på djup mellan 1450 och 2350 m. Deep Core utgörs av 6 speciella strängar utrustade med extrakänsliga ljussensorer, flertalet djupare än 2100 m, samt de 7 närmsta normala IceCube strängar. Installationen av IceCube förväntas avslutat 2011 då detektorn kommer att omfatta 86 strängar. Ljusdetektorerna på de 79 strängarna registrerar den Cherenkovstrålning som skickas ut när myoner som bildats vid neutrinoreaktioner färdas genom isen. Dessa data skickas till norra halvklotet för analys. Genom att undersöka signalernas tidsföljd kan sedan riktningen på de inkommande neutrinerna rekonstrueras med någon grads precision. I ett visst energiområde observeras himlen över det norra halvklotet. Jorden används då som ett myonfilter som enbart neutriner kan passera utan att absorberas. Härmed elimineras den bakgrund av myoner som bildas när den kosmiska strålningen växelverkar med jordens atmosfär. För mycket höga energier (över 10 PeV) studeras dock främst himlen över det södra halvklotet då även neutrinerna stoppas vid passage genom jorden och myonbakgrunden är försvinnande liten. Syftet med Deep Core är att i vissa lägen kunna använda omgivande IceCube som en vetoregion bl.a. för att kunna observera neutrinoflödet från potentiella källor i Vintergatans centrum vid relativt låga energier och för att kunna söka efter neutriner från annihilation av mörk materia i Solens inre året runt, även när Solen är över horisonten.

Målsättningen för IceCube är att med hjälp av kosmiska neutriner öppna ett nytt våglängdsområde för studier av universum. Därmed hoppas vi att kunna studera bl.a. frågeställningar kring uppkomsten av den kosmiska strålningen med de högsta energierna. Skapas den vid randen av de svarta hålen i hjärtat av aktiva galaxkärnor? Andra frågor som studeras rör bl.a. den mörka materian som tycks utgöra huvudparten av universums massa.

Forskare från Uppsala och Stockholm har bidragit till konstruktionen av IceCube och Deep Core genom att verifiera och kvalitetssäkra ca 1000 av ljusdetektorerna. Vi har tidigare även bidragit till konstruktionen av AMANDA, både vad gäller detektorns komponenter och elektronik, men arbetar nu främst med analys av data. IceCube är en international kollaboration - f.n. ett samarbete mellan 17 amerikanska institutioner och 18 institutioner i Europa, från Sverige universiteten i Stockholm och Uppsala. Dessutom deltar en institution från vardera Japan, Nya Zealand, Canada och Barbados.