Valoa jääkuutiossa
Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia ilmoitti tänään myöntävänsä fysiikan Nobelin palkinnon Francis Halzenille ”ratkaisevasta panoksesta IceCube-neutriino-observatoriossa ja astrofysikaalisten korkeaenergisten neutriinojen löytämisessä”. Hän on tänä vuonna ainoa fysiikan nobelisti, yleensä palkinto on jaettu kahdelle tai kolmelle tutkijalle.
Kun Higgsin hiukkasesta myönnettiin vuonna 2013 Nobelin palkinto kahdelle teoreetikolle, François Englertille ja Peter Higgsille, monien mielestä myös hiukkasen löytäneiden tutkimusryhmien johtajat olisi pitänyt palkita. Nyt palkinto menee teoreetikolle, josta tuli kokeen johtaja. (Yhä useampi teoreetikko onkin siirtynyt kokeiden pariin.)
IceCube on etelänavalle rakennettu noin kuutiokilometrin kokoinen laite, joka havaitsi vuonna 2013 ensimmäiset korkeaenergiset Aurinkokunnan ulkopuoliset neutriinot. Auringosta tulevia neutriinoja oli aiemmin mitattu kokeiden Kamiokande ja Super-Kamiokande vesitankeissa (mistä on myönnetty kaksi Nobelin palkintoa), mutta IceCubessa on viety veden käyttäminen pidemmälle.
Etelänavalle on porattu 86 aukkoa, joihin on laskettu noin kahden ja puolen kilometrin pituiset kaapelit, joissa on havaintolaitteita. Syvällä jään sisällä on vakaata, pimeää ja rauhallista. Niinpä jäähän törmäävien neutriinoiden aiheuttamat valonvälähdykset on helppo mitata.
Neutriinot ovat hiukkasfysiikan Standardimallin vähiten tunnettu osa (ja myös ensimmäiset hiukkaset, joiden kautta on päästy Standardimallin tuolle puolen). Neutriinoilla on kaksi ominaisuutta, joiden takia niitä on vaikea havaita.
Ensinnäkin neutriinoiden massa on pieni, joten niiden tuottaminen vaatii vain vähän energiaa ja niiden vaikutus reaktioihin on siksi usein vähäinen.
Toisekseen neutriinot vuorovaikuttavat heikosti matalilla energioilla. Kuten palkinnon taustamateriaalissa todetaan, sormenkynnen läpi menee joka sekunti 65 miljardia Auringosta tulevaa neutriinoa (sekä jokunen miljardi maailmankaikkeuden alkuhetkiltä peräisin olevaa neutriinoa). Tällä on valoisa kääntöpuoli: koska neutriinot vuorovaikuttavat niin heikosti, ne kulkevat lähes esteettä. Tässä suhteessa ne ovat samanlaisia kuin gravitaatioaallot.
Kosmisen neutriinotaustan matalaenergiset neutriinot ovat matkanneet aineen läpi siitä pitäen, kun maailmankaikkeus oli sekunnin ikäinen, 14 miljardia vuotta. IceCube tähyää myöhempinä aikoina syntyneitä korkeaenergisiä neutriinoja.
Mitä korkeampi energia neutriinoilla on, sitä voimakkaammin ne vuorovaikuttavat, mutta toisaalta sitä vähemmän niitä syntyy. Kesti kaksi vuotta ennen kuin IceCube vuonna 2013 havaitsi kaksi korkeaenergistä neutriinoa. Niiden energia oli noin sata kertaa isompi kuin mitä CERN:in LHC-kiihdyttimessä pystytään tuottamaan. Nykyään IceCube näkee näitä neutriinoja noin sata vuodessa.
Neutriinoita tutkitaan paljon –Standardimallit neutriinot olivat ensimmäinen ehdokas pimeän aineen hiukkaseksi ja Standardimallin tuonpuoleiset neutriinot ovat vieläkin yksi kiinnostavimpia ehdokkaita– mutta IceCubessa ei oikeastaan olla kiinnostuneita neutriinoista, vaan siitä mitä niiden avulla voi saada selville tähtitieteen kohteista.
Astrohiukkasfysiikka tarkoittaa hiukkasfysiikan ja astrofysiikan yhteistä aluetta. Usein kyse on siitä, että hiukkasfyysikot käyttävät tähtitieteellisiä havaintoja hiukkasfysiikan luotaamiseen, esimerkiksi pimeän aineen etsimiseen. IceCubessa roolit ovat toisin päin, hiukkasfysiikka on väline ja astrofysiikka tavoite.
Yksi avoin ongelma on se, mistä kaikkein korkeaenergisimmät hiukkaset tulevat: mikä tapahtuma pystyy kiihdyttämään hiukkasia korkeampiin energioihin kuin ihmisten vahvimmat laitteet? Maapallolla on havaittu paljon korkeaenergisiä protoneita ja muita sähköisesti varattuja hiukkasia. Sähkövarauksen takia niitä on helppo havaita, mutta samasta syystä ne kiertävät Linnunradan magneettikentissä minne sattuu. Niinpä on mahdotonta sanoa, mistä päin ne ovat peräisin. Valokin voi sirota ja muuten vuorovaikuttaa. Neutriinoilla ei ole tällaisia ongelmia, joten niistä näkee suoraan mistä päin ne ovat peräisin.
IceCuben havaintojen mukaan korkeaenergisiä neutriinoja tulee suunnilleen yhtä paljon kuin korkeaenergisiä protoneita ja muita varattuja hiukkasia, mikä viittaa siihen, että niillä on yhteinen alkuperä. IceCube on tuottanut todistusaineistoa sen puolesta, että osa niistä syntyy jättimäisten pyörivien mustien aukkojen luona.
Monen sanansaattajan astrofysiikasta on tullut muotitermi. Se tarkoittaa saman kohteen näkemistä useamman kuin yhden kanavan kautta: esimerkiksi protoneilla ja neutriinoilla tai gravitaatioaalloilla ja valolla. Kuten gravitaatioaalloissa, myös neutriinoissa on päästy vasta alkuun, emmekä vielä tiedä mitä kaikkea ne valaisevat.