Infrastruktur för uppgradering av IceCube

Infrastruktur: IceCube
Projekttitel: Infrastruktur för uppgradering av IceCube
Huvudsökande: Rektor Uppsala universitet, projektledare Olga Botner, avdelningen för högenergifysik
Projektmedlen kommer användas för forskning inom IceCube, där Uppsala universitet ingår tillsammans med Stockholms universitet.

Jorden träffas ständigt av subatomära partiklar från rymden, mestadels protoner med relativt låga energier. Då och då detekteras dock partiklar med miljonfalt större energi än vad våra kraftfullaste acceleratorer på CERN kan generera. Varifrån kommer dessa partiklar? Vilka astrofysikaliska objekt kan accelerera dem till enorma energier?

Den högenergetiska kosmiska strålningens ursprung är gåtfull – dels för att laddade partiklars banor genom universum störs kraftigt av intergalaktiska magnetfält och dels för att partiklarna med de allra högsta energierna växelverkar med den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Enligt teorierna är det troligt att våldsamma kosmiska processer som kan accelerera partiklar till enorma energier äger rum nära de massiva svarta hålen i centrum av aktiva galaxer eller i de häftiga stjärnexplosioner som ses i gammastrålningsutbrott. Där bör även högenergetiska neutriner kunna skapas. Andra stjärnexplosioner – supernovautbrott – alstrar stora mängder lågenergetiska neutriner som också är högintressanta då de bär med sig information om källan. Neutriner är nyckeln för att öka förståelsen av de häftigaste processerna i universum och utgör ett viktigt inslag inom s.k. multi-messenger astronomi.

Neutriner är som fotoner elektriskt neutrala och böjs inte av i magnetfälten. I motsats till fotoner reagerar de sällan och stoppas därför inte av materia, stjärnljus eller kosmisk bakgrundsstrålning. Om vi siktar längs den riktning de kommer ifrån borde vi kunna upptäcka deras källor – även om de är höljda i dunkel!

Neutriners stora genomträngningsförmåga gör dem svåra att detektera så det krävs en stor instrumenterad volym. Detektormaterialet måste vara lättillgängligt i stor mängd – i praktiken används vatten eller is. IceCube är ett neutrinoteleskop i den klara glaciärisen vid Sydpolen med en instrumenterad volym om c:a 1 km3. IceCube har tagit data sedan 2011 och det första stora genombrottet var att påvisa att högenergetisk neutrinostrålning med ursprung bortom solsystemet faktisk går att observera. För ett par år sedan lyckades IceCube för första gången identifiera en sannolik källa till högenergetisk neutrinostrålning, en blazar på 4 miljarder ljusårs avstånd. Dessa upptäckter är de första stegen mot neutrinoastronomi.

Det mätbara flödet av högenergetiska kosmiska neutriner har visat sig vara litet. Tillsammans med våra internationella samarbetspartners skulle vi därför vilja uppgradera IceCube med 120 nya strängar i isen med nya optiska moduler. Syftet är att tiodubbla antalet neutriner som observeras årligen. Vi vill också utöka det observerade energiområdet genom att konstruera en ny radiobaserad detektor nära glaciärytan i närheten av IceCube. Detta nya observatorium kallas IceCube-Gen2 och är ännu ofinansierat.

Studier av hur den nya anläggningen bör byggas pågår internationellt och vi bidrar till optimering och utvärdering av olika möjligheter. Med radioteknik kan volymer om hundratals km3 instrumenteras på ett ekonomiskt sätt. Radiostationerna sprids över stora avstånd och behöver autonom energiförsörjning – solenergi under sommaren och vindenergi under polarnatten. Kommersiella vindturbiner fungerar dåligt och vi utvecklar specialiserade vindgeneratorer som redan visats fungera under dessa svåra förhållanden. Vi önskar att vidareutveckla detta koncept samt utveckla metoder och teknologier för att ta hand om signaler från radiodetektorn på ett effektivt sätt. Ett annat för oss intressant område är utveckling och optimering av smalare optiska moduler för de nya strängar som ska sänkas ner i isen som del av Gen2. Egenskaperna måste här optimeras för maximal effektivitet för ljusinsamling och minimal kostnad för placering i kilometerdjupa hål som borras i glaciären.

Med denna ansökan har vi en chans att ge Sverige en stark och inflytelserik roll i ett världsledande projekt.