Astropartikelfysik

Astropartikelfysik är ett relativt nytt forskningsfält som omfattar forskning om universums utveckling, gravitation, mörk materia och mörk energi, och kopplar därmed på ett djupgående sätt partikelfysik med astrofysik och kosmologi. De experimentella projekten utvecklar nya detektorer och metoder för att studera de olika slagen ”budbärare” som når oss från yttre rymden – kosmisk strålning, gammastrålning, gravitationsvågor och neutriner – för att försöka besvara frågor som handlar om de processer som driver på de enorma energiflödena från universums ljusstarkaste objekt (t.ex. aktiva galaxkärnor, gammastrålningsutbrott, supernovaexplosioner eller kilonovahändelser). Man studerar också mörk materia, neutrinoegenskaper (t.ex. oscillationer), fysik bortom Standardmodellen och mycket annat. Inom det nya området som kallas multi-messenger astronomi, korreleras samtidig information från de olika strålningsslagen, ofta för transienta fenomen.

Pågående forskning

Astropartikelfysikgruppen i Uppsala har ett stort intresse i neutrinostrålning och har deltagit i designen och konstruktionen av neutrinoobservatoriet IceCube på Sydpolen. Vi är en del av den vetenskapliga IceCube-kollaborationen som ansvarar för forskningen och analysen av data från detta neutrinoteleskop. Vi är också involverade i Hyper-Kamiokande, ett projekt som syftar till att utveckla och konstruera en stor vattenbaserad Cherenkovdetektor i Japan, efterföljaren till Super-Kamiokande. Dessutom utvecklar vi instrumentering och metoder för radiodetektion av ultrahögenergetiska neutriner för ARIANNA, RNO-G och IceCube-Gen2. Slutligen är vi intresserade i PTOLEMY, ett projekt som syftar till att observera den kosmiska neutrinobakgrunden som har en temperatur på c:a 1,95 K.

Intresserad i ett projekt? Kolla engelska sidan student projects.

IceCube neutrinobservatorium

Schematisk bild av IceCube-detektorn

IceCube är världens största neutrinoteleskop och omfattar ca 5000 ljusdetektorer som installerats i en kubikkilometer stor isvolym i den klara glaciären på sydpolen. Sensorerna monitorerar isen för att detektera de sällsynta krockarna mellan högenergetiska neutriner och vattenmolekyler. IceCube färdigställdes i december 2010 och har lyfts fram i media flera gånger sedan dess, t.ex. i samband med upptäckten av de första högenergetiska neutrinerna av kosmiskt ursprung som utsågs till ”Breakthrough of the year 2013” av tidskriften Physics World, utgiven av anrika Institute of Physics, och i 2018 när vi för första gången kunde rapportera detektionen av en sannolik källa för högenergetisk neutrinostrålning, en blazar på ett avstånd av nästan 6 miljarder ljusår. Det främsta målet för IceCube är att identifiera de objekt i universum som alstrar högenergetiska neutriner. Samma källor väntas också producera den kosmiska strålningen med de högsta energierna vars ursprung än så länge är en gåta. Dessutom bidrar IceCube till sökandet efter mörk materia, till precisionsmätningarna av neutrinernas egenskaper, till studier av den kosmiska strålningen och till glaciologi, genom mätningar av isens egenskaper. Även om IceCube f.n. är världens främsta instrument för neutrinoastronomi, är teleskopet för litet för att inom rimlig tid kunna detektera eventuella neutriner från många av de kända ljusstarka gammakällorna. IceCube kollaborationen har därför en – ännu ofinansierad – plan att bygga en 10 gånger större IceCube-Gen2 detektor. Det första steget är finansierat och förutser en uppgradering av nuvarande IceCube med 7 nya strängar. De kommer att installeras i isen vintern 2023/24.

IceCube är ett internationellt projekt och användarbasen är svensk såväl som internationell. Två svenska forskargrupper deltar f.n., en grupp vid Stockholms universitet och en vid Uppsala universitet – c:a 12 forskare totalt. Dessa två grupper är de som för drygt 25 år sedan sjösatte projektet tillsammans med forskargrupper från 3 amerikanska universitet genom konstruktionen av prototypen AMANDA. Av de då 30 medverkande var c:a en tredjedel svenskar. IceCube har över tid attraherat forskare från hela världen. Kollaborationen utgörs idag av c:a 300 personer från 50 institutioner fördelade över 4 kontinenter. Samarbetet mellan grupperna i Stockholm och Uppsala fortsätter med störst fokus på sökandet efter neutrinosignaler från mörk materia, fysik bortom Standardmodellen och sökandet efter källor till högenergetiska neutriner. Vi deltar också i detektorkalibrering och ansträngningarna att förstå och beskriva isens egenskaper. Några exempel finns här.

Det svenska deltagandet i IceCube har fått stöd av VetenskapsrådetKnut och Alice Wallenbergs Stiftelse och Polarforskningssekretariatet.

Radiodetektion av ultrahögenergetiska neutriner

För neutriner med energier i intervallet 50 – 10000 PeV blir det möjligt att mäta radio-signaler som utsänds genom s.k. koherent strålning från den täta partikelsvärmen som bildas när neutrinon växelverkar i isen. Strålningen manifesterar sig i form av en nanosekundlång radiopuls som kan detekteras över kilometerlånga avstånd. Med radiotekniken kan mycket större volymer instrumenteras på ett ekonomiskt hållbart sätt. Därför deltar vi i utvecklingen av ARIANNA (Antarctic Ross Ice shelf ANtenna Neutrino Array) på Ross Ice Shelf på Antarktis, RNO-G projektet på Grönland och utvecklingen av en framtida radiodetektor för IceCube-Gen2. Några av våra flagskeppsprojekt är utvecklingen av simuleringsprogrammet NuRadioMC, utvecklingen av maskininlärningsmetoder för rekonstruktion av neutrino-krocken utifrån de observerade radiosignalerna, samt utvecklingen av en vindturbin som kan driva radiodetektorerna under polarnatten.

Hyper-Kamiokande

Hyper-K är en vattenfylld cylindrisk detektor med en total (fiducial) volym på 258 (187) kiloton under konstruktion i Japan. När Hyper-K börjar ta data 2027 kommer det att bli ett kraftfullt neutrino-teleskop, med ett fysikprogram som inkluderar en sökning efter CP-kränkning, solneutrinstudier, precisionsmätningar av den diffusa supernova-neutrinobakgrunden och potentialen att mäta en explosion av neutriner från en närliggande supernova.

Senast uppdaterad: 2021-03-05