Ενδείξεις νέας φυσικής στο πολωμένο φως από το αρχέγονο σύμπαν. A hint of new physics in polarized radiation from the early Universe

Ενδείξεις νέας φυσικής στην πολωμένη ακτινοβολία από το αρχέγονο σύμπαν: Η περιστροφή του επιπέδου πόλωσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος (πορτοκαλί γραμμή) μπορεί να οφείλεται στην σκοτεινή ύλη ή την σκοτεινή ενέργεια. Αυτό φαίνεται ως μεταβολή των μοτίβων της πόλωσης (μαύρες γραμμές). Οι κόκκινες και μπλε περιοχές δείχνουν τις θερμές και ψυχρές περιοχές του κοσμικού υποβάθρου μικροκυμάτων, αντίστοιχα. A new analysis of the cosmic microwave background shows that its polarization may be rotated by exotic effects indicating beyond-standard-model physics. As the light of the cosmic microwave background emitted 13.8 billion years ago (left image) travels through the Universe until observed on Earth (right image), the direction in which the electromagnetic wave oscillates (orange line) is rotated by an angle β. The rotation could be caused by dark matter or dark energy interacting with the light of the cosmic microwave background, which changes the patterns of polarization (black lines inside the images). The red and blue regions in the images show hot and cold regions of the cosmic microwave background, respectively. Credit: Y. Minami / KEK

Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου από το διαστημικό τηλεσκόπιο Planck, οι φυσικοί Yuto Minami και Eiichiro Komatsu υποστηρίζουν ότι ανακάλυψαν ενδείξεις νέας φυσικής. Ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για την μέτρηση της γωνίας στροφής του επιπέδου πόλωσης της αρχέγονης μικροκυματικής ακτινοβολίας. Αν και το σήμα δεν ανιχνεύεται με αρκετή ακρίβεια ώστε να εξαχθούν οριστικά συμπεράσματα, φαίνεται πως εξαιτίας της σκοτεινής ύλης ή της σκοτεινής ενέργειας προκύπτει παραβίαση της λεγόμενης «συμμετρίας ομοτιμίας» .

Για τον ηλεκτρομαγνητισμό και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, ισχύει η διατήρηση της ομοτιμίας: το αναλλοίωτο σε μετασχηματισμούς αναστροφής χώρου ή πιο απλά, η συμμετρία αριστερού-δεξιού. Δηλαδή, οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις λειτουργούν το ίδιο ανεξάρτητα από το αν βρίσκεστε στο αρχικό σύστημα ή σε σύστημα κατοπτρισμού στο οποίο έχουν αναστραφεί όλες οι χωρικές συντεταγμένες. Εάν παραβιαστεί αυτή η συμμετρία που ονομάζεται «ομοτιμία» (όπως συμβαίνει με τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις), τότε ίσως ανοίξει ο δρόμος για την κατανόηση της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας, οι οποίες αποτελούν το 25% και 70% του ενεργειακού περιεχομένου του σύμπαντος, αντίστοιχα. Τα δύο σκοτεινά συστατικά έχουν αντίθετη επίδραση στην εξέλιξη του σύμπαντος: ενώ η σκοτεινή ενέργεια κάνει το σύμπαν να διαστέλλεται όλο και πιο γρήγορα, η σκοτεινή ύλη αντιτίθεται μάταια σ’ αυτή τη διαδικασία.

Στην δημοσίευση των Minami και Komatsu στο περιοδικό Physical Review Letters στις 23 Νοεμβρίου 2020, υποστηρίζεται μια ελκυστική υπόδειξη νέας φυσικής, σύμφωνα με την οποία παραβιάζεται η συμμετρία ομοτιμίας.

Τα στοιχεία για παραβίαση της συμμετρίας της ομοτιμίας βρέθηκαν στην κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου, τα απομεινάρια του φωτός της Μεγάλης Έκρηξης. Το κλειδί είναι το πολωμένο φως της μικροκυματικής ακτινοβολίας υπoβάθρου.

Το φως είναι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Στο γραμμικά πολωμένο φως, η ταλάντωση του ηλεκτρικού πεδίου γίνεται σε ένα επίπεδο και διαγράφει μια ημιτονοειδή καμπύλη κατά μήκος της κατεύθυνσης κίνησης του κύματος. Όταν το φως σκεδάζεται τότε προκύπτει πολωμένο φως. Το φως του Ήλιου, για παράδειγμα, αποτελείται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα των οποίων η ταλάντωση του ηλεκτρικού πεδίου γίνεται σε όλες τις πιθανές κατευθύνσεις. Επομένως, δεν είναι πολωμένο. Όμως, το φως από το ουράνιο τόξο είναι πολωμένο γιατί το φως του Ήλιου διασκεδάζεται από τα σταγονίδια νερού στην ατμόσφαιρα.

The anisotropies of the Cosmic microwave background (CMB) as observed by Planck. The CMB is a snapshot of the oldest light in our Universe, imprinted on the sky when the Universe was just 380 000 years old. It shows tiny temperature fluctuations that correspond to regions of slightly different densities, representing the seeds of all future structure: the stars and galaxies of today. Credit: ESA and the Planck Collaboration

Παρομοίως, το φως της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου πολώθηκε όταν σκεδάστηκε από ηλεκτρόνια 400.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Καθώς αυτό το φως ταξίδευε μέσα στο σύμπαν για 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια, η αλληλεπίδρασή του με την σκοτεινή ύλη ή τη σκοτεινή ενέργεια θα μπορούσε να προκαλέσει την περιστροφή του επιπέδου πόλωσης κατά μια γωνία β.

Εάν η σκοτεινή ύλη ή η σκοτεινή ενέργεια αλληλεπιδρούν με το φως της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου με τρόπο ώστε να παραβιάζεται η συμμετρία ομοτιμίας, τότε μπορούμε να βρούμε την υπογραφή τους στα δεδομένα πόλωσης.

Για να μετρήσουν τη γωνία περιστροφής β, οι επιστήμονες χρειάζονταν ανιχνευτές ευαίσθητους στην πόλωση, σαν αυτούς που βρίσκονται στον δορυφόρο Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA). Και έπρεπε να γνωρίζουν πως προσανατολίζονται οι ευαίσθητοι στην πόλωση ανιχνευτές σε σχέση με τον ουρανό. Εάν αυτές οι πληροφορίες δεν ήταν γνωστές με αρκετή ακρίβεια, το μετρούμενο επίπεδο πόλωσης φαίνεται να περιστρέφεται ψευδώς, δημιουργώντας ένα λάθος σήμα. Στο παρελθόν, οι αβεβαιότητες σχετικά με την ψευδή περιστροφή που εισήγαγαν οι ίδιοι οι ανιχνευτές περιόρισαν την ακρίβεια μέτρησης της κοσμικής γωνίας πόλωσης β. Οι Minami και Komatsu ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για τον ακριβέστερο προσδιορισμό της γωνίας αυτής, βρίσκοντας έτσι ενδείξεις παραβίασης της συμμετρίας της ομοτιμίας με ακρίβεια 99,2%.

Αν και για να αναγνωριστεί μια ανακάλυψη νέας φυσικής, απαιτείται πολύ μεγαλύτερη στατιστική ακρίβεια (99,99995%), το εντυπωσιακό με την εν λόγω εργασία είναι πως βρέθηκε ένας τρόπος για να μετρηθεί κάτι που παλαιότερα φάνταζε αδιανόητο.

Πηγές:  Yuto Minami et al. New Extraction of the Cosmic Birefringence from the Planck 2018 Polarization Data, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.221301 - https://www.ipmu.jp/en/20201124-CosmicBirefringence - https://physicsgg.me/2020/11/26/