Nobelpriset i fysik till Takaaki Kajita (Univ. of Tokyo) och Art McDonald (Queen’s University, Canada) för upptäckten av neutrinooscillationer, och därmed också av att neutriner har massa, är mycket välförtjänt. Priset riktar strålkastarljuset på den typ av fundamental fysik som bedrivs på Fysikum med stor framgång av många grupperingar. Neutrinon är universums näst vanligaste kända partikel, efter fotonen, och en av de svåraste att studera. Dess historia är kantad av oväntade upptäckter och nya insikter om materiens innersta struktur, och i och med upptäckten av neutrinooscillationer öppnades ett nytt fält att utforska.

För IceCube-gruppen på Fysikum är priset speciellt glädjande. Neutrinoobservatoriet IceCube byggdes framför allt för att observera neutriner med hög energi från processer ute i universum. Det har man också gjort, utan att än så länge ha kunnat identifiera enskilda källor. Men IceCube har också andra syften. Ett som på senare år blivit alltmer framträdande är just studiet av neutrinooscillationer.

IceCube består av ljusdetektorer (optiska moduler) som placerats ut i inlandsisen vid Sydpolen. En del av IceCube, DeepCore, som initierats från Stockholm och Uppsala, har moduler som är mycket tätare placerade än i resten av detektorn. Detta ökar känsligheten för neutriner med lägre energi, vilket var tänkt mest för att söka efter neutriner från annihilation av mörk materia. Den första analysen av denna typ gjordes av Matthias Danninger i Stockholmsgruppen under 2012, och ledde till nya gränser för den mörka materiens växelverkningar.

Men den jämförelsevis låga energitröskeln (ungefär 10 GeV) innebär att DeepCore också kan användas för att studera just neutrinooscillationer. Det är mycket tydliga effekter som observerats i IceCube. I en analys som publicerades i år observerades 5174 reaktioner initierade av myonneutriner från atmosfären när man skulle ha förväntat sig 6830 utan oscillationer. Myonneutrinerna ändrar identitet på vägen till detektorn. Denna effekt beror på energin och vägen genom jorden, vilket använts för att bestämma oscillationsparametrar med en precision jämförbar med experiment konstruerade enkom för att mäta dessa.

Men också det högenergetiska neutrinoflödet från astrofysikaliska källor påverkas av neutrinooscillationer. Det leder till att oavsett vilka neutrinotyper (elektron-, myon- eller tauneutrino) som bildas vid källorna kommer flödet som når oss att bestå av ungefär lika delar av de olika typerna, vilket också observerats i IceCube, men med stor experimentell osäkerhet. Om förbättrade mätningar skulle tyda på något annat vore det en stor överraskning som skulle kunna innebära något helt nytt.

Nu planeras nästa generation av IceCube. Den kommer att vara väsentligt förbättrad vad gäller känsligheten vid såväl höga som låga energier. Med en energitröskel vid några GeV kommer deldektorn PINGU att kunna användas för precisionsmätningar av oscillationsparametrar. En mycket viktig fråga som PINGU har potential för att besvara är den om hur neutrinomassorna är ordnade: Av de laddade leptonerna (elektron, myon, tau) är elektronen i särklass lättast. Är också det neutrinotillstånd som närmast svarar mot elektronen det lättaste?

Neutrinooscillationer är av stort intresse både för elementarpartikelfysik och kosmologi, vilket kosmologer och teoretiker vid Fysikum studerar. Exempel på frågor som studeras är vilken neutrino som är lättast, om neutriner och antineutriner beter sig olika, eller kanske rent av är samma partikel. En stor fråga är också hur neutrinerna får sin massa. Kanske kan neutrinerna också ha ett finger med i spelet för att förklara varför det finns mer materia än antimateria i universum?

Som så ofta när det gäller stora upptäckter innebär den som nu belönats med Nobelpriset att många nya frågor kan ställas. Det finns ingen modell för elementarpartiklarnas masspektrum. Kanske kan det fortsatta studiet av neutriner ge ledtrådar till den ännu okända fysik som ligger bakom? Och kanske kan neutrinon som kosmisk budbärare avslöja helt nya aspekter av universum?

– Klas Hultqvist, professor i elementarpartikelfysik vid Fysikum (klas.hultqvist@fysik.su.se)