来自早期宇宙的极化辐射的新物理学提示

一个国际研究小组利用来自宇宙微波背景辐射的普朗克数据，观察到了一些新的物理学现象。该团队开发了一种新方法，通过使用我们自己的银河系中的尘埃进行校准来校准古光的偏振角。尽管未以足够的精度检测到信号以得出明确的结论，但它可能表明暗物质或暗能量会导致违反所谓的“奇偶对称性”。人们认为，在镜子中四处翻转时，治管法则不会改变。例如，无论您是在原始系统中还是在所有空间坐标均已翻转的镜像系统中，电磁工作原理都相同。如果违反了这种称为“奇偶性”的对称性，那么它可能是理解暗物质和暗能量难以捉摸的本质的关键，暗物质和暗能量分别占当今宇宙能量预算的25％和70％。虽然都是黑暗的，但这两个成分对宇宙的演化却产生相反的影响：暗物质吸引着，而暗能量使宇宙膨胀得更快。

一项新的研究，包括来自高能加速器研究组织（KEK）的粒子与核研究所（IPNS），东京大学的卡夫利宇宙物理与数学研究所（Kavli IPMU）的研究人员，以及马克斯·普朗克天体物理学研究所（MPA）报告了令人信服的新物理学提示-置信度为99.2％-违反了奇偶校验对称性。他们的发现发表在2020年11月23日的《物理评论快报》上。该论文被该杂志的编辑评为“重要，有趣且写得很好”的“编辑建议”。

在宇宙微波背景（大爆炸的残余光）中发现了违反奇偶对称性的暗示。关键是宇宙微波背景的偏振光。光是正在传播的电磁波。当它由沿优选方向振荡的波组成时，物理学家称其为“极化的”。当光散射时会产生偏振。例如，阳光由具有所有可能的振荡方向的波浪组成。因此，它不是极化的。同时，彩虹光被偏振，因为阳光被大气中的水滴散射。同样，宇宙微波背景的光在大爆炸之后的40万年被电子散射时，最初也被极化了。随着这种光在宇宙中传播138亿年，宇宙微波背景与暗物质或暗能量的相互作用可能导致偏振面旋转角度β（图）。

“如果暗物质或暗能量以违反奇偶校验对称性的方式与宇宙微波背景光发生相互作用，我们可以在极化数据中找到其特征，” KEK IPNS的博士后研究员Yuto Minami指出。

为了测量旋转角β，科学家需要偏振敏感的探测器，例如欧洲航天局（ESA）的普朗克卫星上的探测器。他们需要知道偏振敏感探测器如何相对于天空定向。如果无法以足够的精确度知道此信息，则测得的偏振面似乎会被人为旋转，从而产生错误信号。过去，由探测器自身引入的人工旋转的不确定性限制了宇宙极化角β的测量精度。

Minami说：“我们开发了一种新方法，可以利用银河系中的灰尘发出的偏振光来确定人工旋转。” “通过这种方法，我们获得的精度是以前工作的两倍，并且最终能够测量β。”银河中的尘埃所传播的距离比宇宙微波背景的距离要短得多。这意味着粉尘的发射不受能量或暗能量的影响，即仅在宇宙微波背景下存在β，而人工旋转会同时影响两者。因此，两个光源之间的所测量的偏振角之差可以用于测量β。

研究小组应用了这种新方法，从普朗克卫星获取的极化数据中测量β。他们发现暗示以99.2％的置信度违反奇偶校验对称性。要声称发现了新的物理学，就需要具有更大的统计意义或99.99995％的置信度。 MPA主任兼Kavli IPMU首席研究员Eiichiro Komatsu表示：“很明显，我们还没有找到确定新物理的确凿证据；需要更高的统计意义来确认这一信号。但是我们很高兴，因为我们的新发现该方法最终使我们能够进行这种“不可能的”测量，这可能指向新的物理学。”

为了确认该信号，可以将新方法应用于测量宇宙微波背景极化的任何现有和未来的实验，例如Simons Array和LiteBIRD，其中涉及KEK和Kavli IPMU。更多信息：Yuto Minami等。从普朗克2018偏振数据中提取宇宙双折射，《物理评论快报》（2020年）。 DOI：10.1103 / PhysRevLett.125.221301