Используя планковские данные о космическом микроволновом фоновом излучении, международная группа исследователей обнаружила намек на новую физику. Команда разработала новый метод измерения угла поляризации древнего света, калибруя его с помощью пылевого излучения нашего собственного Млечного Пути.
Хотя сигнал не обнаруживается с достаточной точностью, чтобы сделать определенные выводы, он может предполагать, что темная материя или темная энергия вызывают нарушение так называемой "четной симметрии"."Считается, что законы физики управляющие Вселенной, не меняются, если их перевернуть в зеркале. Например, электромагнетизм работает одинаково независимо от того, находитесь ли вы в исходной системе или в зеркальной системе, в которой все пространственные координаты были перевернуты.
Если эта симметрия, называемая "четностью", будет нарушена, она может стать ключом к пониманию неуловимой природы темной материи и темной энергии, которые занимают 25 и 70 процентов энергетического бюджета вселенной сегодня, соответственно. Хотя оба эти компонента темны, они оказывают противоположное влияние на эволюцию вселенной Темная материя притягивает, а темная энергия заставляет Вселенную расширяться все быстрее.
Новое исследование, включающее исследователей из Института частиц и ядерных исследований (IPNS) при организации исследований ускорителей высоких энергий (KEK), института физики и математики Вселенной Кавли (Kavli IPMU) Токийского университета и Института астрофизики Макса Планка (MPA), сообщает о дразнящем намеке на новую физику-с 99,2-процентным уровнем достоверности-которая нарушает симметрию четности.
Их результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters 23 ноября 2020 года.
Намек на нарушение четности симметрии был обнаружен в космическом микроволновом фоновом излучении-остаточном свете большого взрыва. Ключ - поляризованный свет космического микроволнового фона. Свет-это распространяющаяся электромагнитная волна. Когда она состоит из волн, колеблющихся в предпочтительном направлении, физики называют ее "поляризованной"." Поляризация возникает, когда свет рассеивается.
Солнечный свет, например, состоит из волн со всеми возможными колебательными направлениями; таким образом, он не поляризован. Свет радуги, между тем, поляризован, потому что солнечный свет рассеивается каплями воды в атмосфере. Точно так же свет космического микроволнового фона изначально поляризовался, когда рассеивался электронами через 400 000 лет после Большого Взрыва. Поскольку этот свет путешествовал по Вселенной в течение 13,8 миллиардов лет, взаимодействие космического микроволнового фона с темной материей или темной энергией могло вызвать поворот плоскости поляризации на угол.
"Если темная материя или темная энергия взаимодействуют со светом космического микроволнового фона таким образом, что нарушается симметрия четности, мы можем найти его сигнатуру в данных поляризации", - указывает Юто минами, постдокторский сотрудник IPNS, KEK.
Чтобы измерить угол поворота, ученым понадобились поляризационно-чувствительные детекторы, такие как те, что находятся на борту спутника планка Европейского космического агентства (ЕКА). И им нужно было знать, как поляризационно-чувствительные детекторы ориентированы относительно неба. Если бы эта информация не была известна с достаточной точностью, измеренная плоскость поляризации казалась бы искусственно повернутой, создавая ложный сигнал.
В прошлом неопределенность в отношении искусственного вращения, вносимого самими детекторами, ограничивала точность измерения угла космической поляризации.
"Мы разработали новый метод определения искусственного вращения, используя поляризованный свет, испускаемый пылью в нашем Млечном Пути", - сказал минами. "С помощью этого метода мы достигли точности, которая в два раза превышает точность предыдущей работы, и, наконец, смогли измерить (угол поляризации)."
Расстояние, пройденное светом от пыли внутри Млечного Пути, намного меньше, чем расстояние от космического микроволнового фона. Это означает, что излучение пыли не зависит от темной материи или темной энергии, то есть (угол поляризации) присутствует только в свете космического микроволнового фона, в то время как искусственное вращение влияет на оба. Таким образом, разница в измеренном угле поляризации между обоими источниками света может быть использована для измерения (угла).
Исследовательская группа применила новый метод измерения (угла) по поляризационным данным, полученным спутником "Планк". Они нашли намек на нарушение симметрии четности с 99,2-процентным уровнем достоверности. Чтобы заявить об открытии новой физики, требуется гораздо большая статистическая значимость или уровень достоверности 99,99995%.
Эйитиро Комацу, директор MPA и главный исследователь IPMU Кавли, сказал: "ясно, что мы еще не нашли окончательных доказательств Новой физики; для подтверждения этого сигнала необходима более высокая статистическая значимость. Но мы взволнованы, потому что наш новый метод, наконец, позволил нам сделать это "невозможное" измерение, которое может указывать на новую физику."
Чтобы подтвердить этот сигнал, новый метод может быть применен к любому из существующих-и будущих-экспериментов по измерению поляризации космического микроволнового фона, таких как Simons Array и LiteBIRD, в которых участвуют как KEK, так и KAVLI IPMU.
