Med hjälp av Planck-data från den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, ett internationellt team av forskare har observerat en antydan till ny fysik. Teamet utvecklade en ny metod för att mäta polarisationsvinkeln för det gamla ljuset genom att kalibrera det med stoftutsläpp från vår egen Vintergatan. Även om signalen inte detekteras med tillräcklig precision för att dra definitiva slutsatser, det kan tyda på att mörk materia eller mörk energi orsakar en kränkning av den så kallade "paritetssymmetrin".

Fysikens lagar som styr universum tros inte förändras när de vänds runt i en spegel. Till exempel, elektromagnetism fungerar likadant oavsett om du är i det ursprungliga systemet, eller i ett speglat system där alla rumsliga koordinater har vänts. Om denna symmetri, kallas "paritet, " är kränkt, det kan innehålla nyckeln till att förstå den svårfångade naturen hos mörk materia och mörk energi, som upptar 25 och 70 procent av universums energibudget idag, respektive. Medan båda mörka, dessa två komponenter har motsatta effekter på universums utveckling:mörk materia attraherar, medan mörk energi får universum att expandera allt snabbare.

En ny studie, inklusive forskare från Institute of Particle and Nuclear Studies (IPNS) vid High Energy Accelerator Research Organisation (KEK), Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) vid University of Tokyo, och Max Planck Institute for Astrophysics (MPA), rapporterar om en lockande antydan om ny fysik – med 99,2 procents konfidensnivå – som bryter mot paritetssymmetri. Deras resultat publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev den 23 november, 2020; tidningen valdes ut som "Redaktörens förslag, " bedöms av tidskriftens redaktörer vara viktig, intressant, och välskriven.

Ledtråden till en kränkning av paritetssymmetri hittades i den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, resterande ljus från Big Bang. Nyckeln är det polariserade ljuset från den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Ljus är en fortplantande elektromagnetisk våg. När den består av vågor som oscillerar i en föredragen riktning, fysiker kallar det "polariserat". Polariseringen uppstår när ljuset sprids. Solljus, till exempel, består av vågor med alla möjliga oscillerande riktningar; Således, den är inte polariserad. Ljuset av en regnbåge, under tiden, är polariserad eftersom solljuset sprids av vattendroppar i atmosfären. Liknande, ljuset från den kosmiska mikrovågsbakgrunden blev initialt polariserat när det spreds av elektroner 400, 000 år efter Big Bang. När detta ljus färdades genom universum i 13,8 miljarder år, interaktionen av den kosmiska mikrovågsbakgrunden med mörk materia eller mörk energi kan få polarisationsplanet att rotera med en vinkel β (Figur).

"Om mörk materia eller mörk energi interagerar med ljuset från den kosmiska mikrovågsbakgrunden på ett sätt som bryter mot paritetssymmetri, vi kan hitta dess signatur i polarisationsdata, " påpekar Yuto Minami, en postdoktor vid IPNS, KEK.

För att mäta rotationsvinkeln β, forskarna behövde polarisationskänsliga detektorer, såsom de ombord på Planck-satelliten från European Space Agency (ESA). Och de behövde veta hur de polarisationskänsliga detektorerna är orienterade i förhållande till himlen. Om denna information inte var känd med tillräcklig precision, det uppmätta polarisationsplanet verkar vara roterat artificiellt, skapar en falsk signal. Förr, osäkerheter över den artificiella rotationen som infördes av detektorerna själva begränsade mätnoggrannheten för den kosmiska polarisationsvinkeln β.

"Vi utvecklade en ny metod för att bestämma den artificiella rotationen med hjälp av det polariserade ljuset som sänds ut av damm i vår Vintergatan, " sa Minami. "Med den här metoden, vi har uppnått en precision som är dubbelt så stor som i föregående arbete, och äntligen kan mäta β." Avståndet som ljuset tillryggalägger från damm inom Vintergatan är mycket kortare än det för den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Det betyder att stoftutsläppet inte påverkas av mörk materia eller mörk energi, d.v.s. β är närvarande endast i ljuset av den kosmiska mikrovågsbakgrunden, medan den artificiella rotationen påverkar båda. Skillnaden i den uppmätta polarisationsvinkeln mellan båda ljuskällorna kan alltså användas för att mäta β.

Forskargruppen tillämpade den nya metoden för att mäta β från polarisationsdata som tagits av Planck-satelliten. De hittade en antydan om brott mot paritetssymmetri med 99,2 procents konfidensnivå. För att hävda en upptäckt av ny fysik, mycket större statistisk signifikans, eller en konfidensnivå på 99,99995 procent, krävs. Eiichiro Komatsu, direktör vid Läkemedelsverket och huvudutredare vid Kavli IPMU, sa:"Det är tydligt att vi inte har hittat definitiva bevis för ny fysik ännu; högre statistisk signifikans behövs för att bekräfta denna signal. Men vi är glada eftersom vår nya metod äntligen tillät oss att göra denna "omöjliga" mätning, vilket kan peka på ny fysik."

För att bekräfta denna signal, den nya metoden kan tillämpas på vilket som helst av de existerande – och framtida – experimenten som mäter polarisering av den kosmiska mikrovågsbakgrunden, som Simons Array och LiteBIRD, där både KEK och Kavli IPMU är involverade.