Met behulp van Planck-gegevens van de kosmische microgolfachtergrondstraling, een internationaal team van onderzoekers heeft een hint van nieuwe fysica waargenomen. Het team ontwikkelde een nieuwe methode om de polarisatiehoek van het oude licht te meten door het te kalibreren met stofemissie van onze eigen Melkweg. Hoewel het signaal niet met voldoende precisie wordt gedetecteerd om definitieve conclusies te trekken, het kan erop wijzen dat donkere materie of donkere energie een schending van de zogenaamde 'pariteitssymmetrie' veroorzaakt.

Men denkt dat de wetten van de fysica die het universum beheersen niet veranderen wanneer ze in een spiegel worden omgedraaid. Bijvoorbeeld, elektromagnetisme werkt hetzelfde, ongeacht of u zich in het oorspronkelijke systeem bevindt, of in een gespiegeld systeem waarin alle ruimtelijke coördinaten zijn omgedraaid. Als deze symmetrie genaamd "pariteit, " wordt geschonden, het kan de sleutel zijn tot het begrijpen van de ongrijpbare aard van donkere materie en donkere energie, die vandaag 25 en 70 procent van het energiebudget van het universum innemen, respectievelijk. Terwijl beide donker, deze twee componenten hebben tegengestelde effecten op de evolutie van het heelal:donkere materie trekt aan, terwijl donkere energie ervoor zorgt dat het heelal steeds sneller uitdijt.

Een nieuwe studie, waaronder onderzoekers van het Institute of Particle and Nuclear Studies (IPNS) van de High Energy Accelerator Research Organization (KEK), het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) van de Universiteit van Tokyo, en het Max Planck Instituut voor Astrofysica (MPA), rapporteert over een prikkelende hint van nieuwe fysica - met een betrouwbaarheidsniveau van 99,2 procent - die de pariteitssymmetrie schendt. Hun bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven op 23 november, 2020; het papier werd geselecteerd als de "Editors' Suggestion, " door redacteuren van het tijdschrift als belangrijk beoordeeld, interessant, en goed geschreven.

De hint naar een schending van de pariteitssymmetrie werd gevonden in de kosmische microgolfachtergrondstraling, het overblijfsel van de oerknal. De sleutel is het gepolariseerde licht van de kosmische microgolfachtergrond. Licht is een zich voortplantende elektromagnetische golf. Als het bestaat uit golven die in een voorkeursrichting oscilleren, natuurkundigen noemen het 'gepolariseerd'. De polarisatie ontstaat wanneer het licht wordt verstrooid. Zonlicht, bijvoorbeeld, bestaat uit golven met alle mogelijke oscillerende richtingen; dus, het is niet gepolariseerd. Het licht van een regenboog, In de tussentijd, is gepolariseerd omdat het zonlicht wordt verstrooid door waterdruppels in de atmosfeer. evenzo, het licht van de kosmische microgolfachtergrond werd aanvankelijk gepolariseerd toen het werd verstrooid door elektronen 400, 000 jaar na de oerknal. Terwijl dit licht 13,8 miljard jaar door het universum reisde, de interactie van de kosmische microgolfachtergrond met donkere materie of donkere energie zou ervoor kunnen zorgen dat het polarisatievlak met een hoek draait (figuur).

"Als donkere materie of donkere energie een interactie aangaat met het licht van de kosmische microgolfachtergrond op een manier die de pariteitssymmetrie schendt, we kunnen zijn handtekening vinden in de polarisatiegegevens, " wijst Yuto Minami aan, een postdoctoraal onderzoeker bij IPNS, KEK.

Om de rotatiehoek te meten, de wetenschappers hadden polarisatiegevoelige detectoren nodig, zoals die aan boord van de Planck-satelliet van de European Space Agency (ESA). En ze moesten weten hoe de polarisatiegevoelige detectoren georiënteerd zijn ten opzichte van de lucht. Indien deze informatie niet voldoende nauwkeurig bekend was, het gemeten polarisatievlak lijkt kunstmatig te zijn geroteerd, een vals signaal creëren. Vroeger, onzekerheden over de kunstmatige rotatie die door de detectoren zelf werd geïntroduceerd, beperkten de meetnauwkeurigheid van de kosmische polarisatiehoek .

"We hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de kunstmatige rotatie te bepalen met behulp van het gepolariseerde licht dat wordt uitgestraald door stof in onze Melkweg, "zei Minami. "Met deze methode, we hebben een precisie bereikt die twee keer zo groot is als die van het vorige werk, en zijn eindelijk in staat om β te meten." De afstand die het licht van stof in de Melkweg aflegt is veel korter dan die van de kosmische microgolfachtergrond. Dit betekent dat de stofemissie niet wordt beïnvloed door donkere materie of donkere energie, d.w.z. β is alleen aanwezig in het licht van de kosmische microgolfachtergrond, terwijl de kunstmatige rotatie beide beïnvloedt. Het verschil in de gemeten polarisatiehoek tussen beide lichtbronnen kan dus gebruikt worden om β te meten.

Het onderzoeksteam paste de nieuwe methode toe om β te meten uit de polarisatiegegevens van de Planck-satelliet. Ze vonden een hint voor schending van de pariteitssymmetrie met een betrouwbaarheidsniveau van 99,2 procent. Om een ​​ontdekking van nieuwe fysica te claimen, veel grotere statistische significantie, of een betrouwbaarheidsniveau van 99,99995 procent, Is benodigd. Eiichiro Komatsu, directeur bij de MPA en hoofdonderzoeker bij de Kavli IPMU, zei:"Het is duidelijk dat we nog geen definitief bewijs voor nieuwe fysica hebben gevonden; er is een hogere statistische significantie nodig om dit signaal te bevestigen. Maar we zijn enthousiast omdat onze nieuwe methode ons eindelijk in staat heeft gesteld deze 'onmogelijke' meting uit te voeren, die kunnen wijzen op nieuwe fysica."

Om dit signaal te bevestigen, de nieuwe methode kan worden toegepast op elk van de bestaande - en toekomstige - experimenten die de polarisatie van de kosmische microgolfachtergrond meten, zoals Simons Array en LiteBIRD, waarbij zowel KEK als de Kavli IPMU betrokken zijn.