Francis Halzen tilldelas Nobelpriset i fysik

Kosmisk strålning, alltså partiklar med enorm energi som accelereras i universums allra mest våldsamma processer djupt ute i rymden, upptäcktes för första gången för över hundra år sedan. Men ingen visste då var strålningen accelererades. För det behövdes helt ny typ av astronomi.

Professor Francis Halzens forskning förklarar att den kosmiska strålningen, var den än bildas, även ger upphov till neutriner. Neutriner, eller som vetenskapsakademin formulerade sig: "spöklika budbärare från rymden", är små partiklar som rör sig genom både rymd och materia nästan helt fritt. Till skillnad från övrig kosmisk strålning böjs de inte av magnetfält. Därför "pekar" de rakt bakåt mot var de bildades.

Högenergineutriner är särskilt intressanta i jakten på universums mäktigaskte krafters ursprung. När protoner och atomkärnor accelereras till extrema energier, och kollliderar med materia eller strålning, kan neutriner bildas. Genom att upptäcka dessa neutriner kan astronomerna därför försöka identifiera universums kosmiska partikelacceleratorer, och de pekar mot exploderande stjärnor och de våldsamma miljöerna kring supermassiva svarta hål.

Vad är IceCube-teleskopet?

IceCube är världens största neutrinoteleskop, beläget vid sydpolen, mitt i Antarktis. Där bygger man inte för att det är kul, utan placeringen beror framför allt på att den antarktiska inlandsisen fungerar som ett enormt, naturligt detektormaterial för just neutriner.

På omkring 1,5–2,5 kilometers djup är isen mycket klar och mörk. Där kan IceCubes drygt 5 000 ljussensorer registrera det svaga Tjerenkovljus som uppstår när laddade partiklar från neutrinoreaktioner färdas genom isen. Eftersom neutriner nästan aldrig reagerar med materia krävs ungefär en kubikkilometer is för att fånga tillräckligt många högenergihändelser, vilket gör sydpolens stora volym till en tillgång.

Djupet ger också ett viktigt skydd. Det tjocka istäcket filtrerar bort mycket av bakgrunden från andra partiklar som träffar jorden. IceCube kan dessutom använda själva jorden som filter: neutriner kan färdas genom hela planeten, som spöken, medan många andra partiklar stoppas. Därför kan en partikel som tycks komma upp genom isen underifrån med stor sannolikhet kopplas till en neutrino.

Sydpolen erbjuder dessutom något som få andra platser kan kombinera: enorm, gammal och relativt homogen is, stor optisk klarhet på rätt djup och mycket liten störning från artificiellt ljus. Sensorerna kan frysas fast permanent i borrhålen och använda den naturliga isen i stället för att man behöver bygga en gigantisk tank.

IceCube observerade 2012 för första gången neutriner med hög energi från rymden, och 2013 utsågs genombrottet till Årets genombrott av Physics World. År 2017 spårades en neutrino till galaxen TXS 0506+056, 2022 pekade IceCube ut galaxen NGC 1068 som en möjlig källa, och 2023 togs den första neutrinobilden av Vintergatan.

De praktiska användningsområdena för neutrino och IceCube är ännu små. Neutrinoastronomins nytta är i dag främst grundvetenskaplig kunskap, inte produkter. Men trots det har nya uppdateringar av IceCube-teleskopet visat att tekniken kan få användningsområden vid sidan av forskningen.

Världens djupaste seismometrar, som kan hjälpa forskare att mer exakt övervaka jordbävningar, har nyligen installerats i teleskopet. Svenska grupper har också utvecklat kameror som undersöker isens egenskaper i IceCube. Dessutom har svenska leverantörer fått del av uppgraderingsuppdragen. Kabeln i den uppgradering som slutfördes 2026 tillverkades av Hexatronic AB, och Vetenskapsrådet finansierade det svenska arbetet vid Uppsala och Stockholms universitet.

Vem är Francis Halzen?

Francis Halzen föddes i den belgiska staden Tienen 1944. Han utbildade sig inom matematik och fysik vid universitetet i Leuven och i dag är han Vilas Research Professor och Gregory Breit Professor vid University of Wisconsin–Madison.

Intresset för neutriner började på 80-talet, då han fick nys om att ryska forskare försökte upptäcka dem i Antarktis med hjälp av radioantenner. Redan på 90-talet gav sig Halzen i kast med att knäcka problemet på ett helt annat vis, genom att borra sig flera tusen meter ner i den antarktiska isen med hjälp av hett vatten. I den första prototypen "AMANDA", som Stockholms och Uppsala universitet var med och grundade, placerades kablar med sensorer innan isen frös igen. AMANDA var dock inte tillräckligt stor, utan byggdes i stället samman med den hundra gånger större IceCube som togs i drift 2010.

Innan Nobelpriset i fysik har Halzen tilldelats Balzanpriset 2015, Pontecorvopriset 2018 och Amerikanska fysikersamfundets största pris, APS Medal, 2026. Han är också invald i den amerikanska vetenskapsakademin och är därtill hedersdoktor vid Uppsala universitet.

Halzen har själv beskrivit att neutriner gör det möjligt att se saker i universum som inte går att se på något annat sätt.

De tidigare priserna gäller neutriner från solen och närliggande supernovor, eller neutrinon som partikel. Halzen ville i stället fånga neutriner från extremt energirika processer långt utanför solsystemet, och idén att använda naturlig is vid Sydpolen presenterades första gången 1988. Den byggde på äldre arbete. På 1960-talet föreslog flera fysiker att vatten kunde fånga neutriner, och projektet DUMAND utanför Hawaii som lades ned 1995, inspirerade honom.