En antydning af ny fysik i polariseret stråling fra det tidlige univers

Ved at bruge Planck-data fra den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, et internationalt hold af forskere har observeret en antydning af ny fysik. Holdet udviklede en ny metode til at måle polarisationsvinklen for det gamle lys ved at kalibrere det med støvemission fra vores egen Mælkevej. Selvom signalet ikke detekteres med tilstrækkelig præcision til at drage sikre konklusioner, det kan tyde på, at mørkt stof eller mørk energi forårsager en krænkelse af den såkaldte "paritetssymmetri."

Fysikkens love, der styrer universet, menes ikke at ændre sig, når de vendes rundt i et spejl. For eksempel, elektromagnetisme fungerer på samme måde, uanset om du er i det originale system, eller i et spejlvendt system, hvor alle rumlige koordinater er blevet vendt. Hvis denne symmetri, kaldet "paritet, "er krænket, det kan indeholde nøglen til at forstå mørkt stofs og mørk energis undvigende natur, som optager 25 og 70 procent af universets energibudget i dag, henholdsvis. Mens begge er mørke, disse to komponenter har modsatte virkninger på universets udvikling:mørkt stof tiltrækker, mens mørk energi får universet til at udvide sig stadig hurtigere.

En ny undersøgelse, herunder forskere fra Institute of Particle and Nuclear Studies (IPNS) ved High Energy Accelerator Research Organisation (KEK), Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) ved University of Tokyo, og Max Planck Institute for Astrophysics (MPA), rapporter om en fristende antydning af ny fysik - med 99,2 procent konfidensniveau - som krænker paritetssymmetri. Deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve den 23. november, 2020; papiret blev valgt som "Redaktørens forslag, "vurderet af redaktører af tidsskriftet for at være vigtig, interessant, og velskrevet.

Hint om en krænkelse af paritetssymmetri blev fundet i den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, restlyset fra Big Bang. Nøglen er det polariserede lys fra den kosmiske mikrobølgebaggrund. Lys er en udbredende elektromagnetisk bølge. Når det består af bølger, der svinger i en foretrukken retning, fysikere kalder det "polariseret". Polariseringen opstår, når lyset spredes. Sollys, for eksempel, består af bølger med alle mulige oscillerende retninger; dermed, den er ikke polariseret. Lyset af en regnbue, i mellemtiden, er polariseret, fordi sollyset spredes af vanddråber i atmosfæren. Tilsvarende lyset fra den kosmiske mikrobølgebaggrund blev oprindeligt polariseret, når det blev spredt af elektroner 400, 000 år efter Big Bang. Da dette lys rejste gennem universet i 13,8 milliarder år, interaktionen af ​​den kosmiske mikrobølgebaggrund med mørkt stof eller mørk energi kan få polariseringsplanet til at rotere med en vinkel β (figur).

"Hvis mørkt stof eller mørk energi interagerer med lyset fra den kosmiske mikrobølgebaggrund på en måde, der krænker paritetssymmetri, vi kan finde dens signatur i polarisationsdataene, " påpeger Yuto Minami, en postdoc ved IPNS, KEK.

For at måle rotationsvinklen β, forskerne havde brug for polarisationsfølsomme detektorer, såsom dem ombord på Planck-satellitten fra European Space Agency (ESA). Og de havde brug for at vide, hvordan de polarisationsfølsomme detektorer er orienteret i forhold til himlen. Hvis disse oplysninger ikke var kendt med tilstrækkelig præcision, det målte polarisationsplan ser ud til at være roteret kunstigt, skabe et falsk signal. I fortiden, usikkerheder over den kunstige rotation indført af detektorerne selv begrænsede målenøjagtigheden af ​​den kosmiske polarisationsvinkel β.

"Vi udviklede en ny metode til at bestemme den kunstige rotation ved hjælp af det polariserede lys, der udsendes af støv i vores Mælkevej, " sagde Minami. "Med denne metode, vi har opnået en præcision, der er det dobbelte af det tidligere arbejde, og er endelig i stand til at måle β." Den afstand, som lyset tilbagelægger fra støv i Mælkevejen, er meget kortere end den for den kosmiske mikrobølgebaggrund. Det betyder, at støvemissionen ikke påvirkes af mørkt stof eller mørk energi, dvs. β er kun til stede i lyset af den kosmiske mikrobølgebaggrund, mens den kunstige rotation påvirker begge dele. Forskellen i den målte polarisationsvinkel mellem begge lyskilder kan således bruges til at måle β.

Forskerholdet anvendte den nye metode til at måle β fra polarisationsdata taget af Planck-satellitten. De fandt et hint til overtrædelse af paritetssymmetri med 99,2 procents konfidensniveau. For at gøre krav på en opdagelse af ny fysik, meget større statistisk signifikans, eller et konfidensniveau på 99,99995 procent, er påkrævet. Eiichiro Komatsu, direktør ved MPA og Principal Investigator ved Kavli IPMU, sagde:"Det er klart, at vi ikke har fundet endelige beviser for ny fysik endnu; højere statistisk signifikans er nødvendig for at bekræfte dette signal. Men vi er begejstrede, fordi vores nye metode endelig tillod os at foretage denne 'umulige' måling, hvilket kan pege på ny fysik."

For at bekræfte dette signal, den nye metode kan anvendes på ethvert af de eksisterende – og fremtidige – eksperimenter, der måler polarisering af den kosmiske mikrobølgebaggrund, såsom Simons Array og LiteBIRD, hvor både KEK og Kavli IPMU er involveret.