Högenergetiska neutriner ökar vår förståelse av hur och var i universum de mest energirika processerna sker, eftersom de kan färdas ostörda hela vägen från sina källor till jorden. Det gör att forskarna kan studera extrema astrofysikaliska miljöer, till exempel i närheten av svarta hål, samt våldsamma fenomen som supernovor.

– Neutriner kallas ibland spökpartiklar eftersom de passerar oss nästan helt obemärkt. De kan färdas rakt genom väggar – ja, till och med genom hela jordklotet – utan att påverkas. Endast i de mycket sällsynta fall då en neutrino passerar tillräckligt nära en atom och kolliderar med den kan den upptäckas, säger Olga Botner, professor i experimentell elementarpartikelfysik vid Uppsala universitet, som arbetat med IceCube sedan 1998 då prototypdetektorn AMANDA togs fram, och som har haft flera ledande roller i IceCube sedan dess.

– Eftersom detektormaterial till största delen består av tomrum krävs därför en enorm volym för att sådana kollisioner alls ska inträffa. Med hjälp av omkring 5 000 sensorer övervakar IceCube en kubikkilometer glaciäris för att fånga upp dessa extremt sällsynta händelser.

Från idé till internationellt observatorium

IceCube är ett internationellt forskningsprojekt och resultatet av flera decenniers arbete. Resan sträcker sig från en vision på 1960-talet, via skisser och tester i början av 1990-talet, till valideringen av prototypdetektorn AMANDA i Sydpolsisen år 2001. År 2013 upptäcktes för första gången ett flöde av kosmiska neutriner, och under det senaste decenniet har även enskilda astronomiska neutrinokällor kunnat identifieras.

– Svenska forskare från Stockholm och Uppsala har bidragit till IceCube sedan 1993, bland annat genom utveckling av detektorkonceptet och konstruktion av utrustning, inledningsvis i samarbete med kollegor från tre amerikanska universitet. Projektet fick tidigt finansiellt stöd i Sverige från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse och Vetenskapsrådet. Polarforskningssekretariatet har dessutom bidragit genom logistiskt stöd och personal under installationskampanjerna vid Sydpolen, berättar Olga Botner.

IceCube Upgrade och Sveriges roll

Femton år efter färdigställandet uppgraderas IceCube nu under den antarktiska sommaren 2025/26. Uppgraderingen omfattar över 600 nya sensorer, installerade på sex nya detektorsträngar centralt i anläggningen. Dessa har tätare instrumentering och inkluderar särskilda kalibreringsenheter som ska ge en mer detaljerad förståelse av glaciärisens egenskaper.

En noggrann förståelse av glaciärisen är avgörande för att kunna rekonstruera neutrinernas energi och ankomstriktning. Den tätare instrumenteringen gör det dessutom möjligt att detektera neutriner med lägre energier än tidigare, vilket kan öppna för studier av nya typer av astronomiska objekt och ge förbättrade möjligheter att undersöka neutrinernas grundläggande egenskaper.

– Sverige spelade en väsentlig roll för konstruktionen av IceCube och bidrar även till denna uppgradering. Omkring 1 000 av IceCubes totalt 5 000 sensorer har byggts och validerats i Stockholm och Uppsala. Samtliga 86 kilometer långa djupkablar som förser sensorerna med el och kommunikation har utvecklats och tillverkats i Sverige av Ericsson Cable (numera Hexatronic). För IceCube Upgrade bidrar Sverige återigen med kablar från Hexatronic, både på djupet och på glaciärytan. Svenska forskare har även utvecklat kameror som ska göra det möjligt att koppla isens strukturella variationer till kalibreringsdata, säger Olga Botner.

De svenska insatserna i IceCube Upgrade stöds av Vetenskapsrådet/RFI samt av personal från Polarforskningssekretariatet som deltar i installationen av utrustningen på Sydpolen.

Ett nytt fönster mot universum

IceCube har öppnat ett helt nytt observationsfönster mot universum. Med de nya enheterna i IceCube Upgrade hoppas forskarna kunna identifiera fler neutrinokällor vid lägre energier och ta fram mer detaljerade datorsimuleringar av isen. Detta kommer i sin tur att förbättra rekonstruktionen av neutrinernas riktning och energi – inte bara för framtida observationer, utan även retroaktivt för de senaste 15 årens insamlade data.

Målet är att utforska universums mest energirika processer med större precision än någonsin tidigare.

Utöver att kartlägga neutriner från extrema miljöer ingår IceCube också i det som ofta kallas multi-budbärare inom astronomin. Det betyder att forskare kombinerar information från flera “budbärare” från rymden – till exempel neutriner, elektromagnetisk strålning (ljus i olika våglängder) och ibland även gravitationsvågor – för att få en mer komplett bild av vad som händer i våldsamma kosmiska händelser. När IceCube registrerar en särskilt intressant neutrinohändelse kan observatoriet skicka realtidslarm till andra anläggningar, som snabbt kan rikta sina teleskop mot samma del av himlen och försöka fånga samtidiga signaler.