Признаци за "нова физика" извън Стандартния модел са открити в космическото микровълново фоново лъчeние на Вселената, светлина, идваща от ранната Вселена.
Новият анализ на космическия микровълнов фон (CMB) от двама японски астрофизици показва, че неговата поляризация може да е променена чрез екзотични ефекти, насочващи към физика извън Стандартния модел.
Според астрофизиците реликтното лъчение съдържа нарушения на пространствената четност или паритет - едно от основните свойства на Вселената в рамките на Стандартния модел.
Двама японски физици докладват за измервания на ъгъла на космическото двойно лъчепречупване с елиминиране на статистическа грешка въз основа на данни за поляризацията на реликтовото лъчение, която беше освободена от космическата обсерватория Planck през 2018 г. Самият ъгъл се оказа 0,35 ± 0,14 градуса, което изключва нулата със статистическа точност от 2,4σ, а разликата на този ъгъл от нула е потенциална мярка за взаимодействието на електромагнитното излъчване с тъмната материя и тъмната енергия. Учените успяват да се отърват от приноса на системната грешка за резултата благодарение на едновременното измерване на поляризацията както на реликтовото лъчение, така и на микровълновото лъчение от обекти в нашата галактика.
Статията е публикувана в списание Physical Review Letters, препринт на работата е на разположение в arXiv.org.
Смята се, че Вселената произхожда от Големия взрив преди 13,8 милиарда години. Според тази теория ранната Вселена е била силно хомогенна и изотропна среда с изключително висока енергийна плътност, налягане и температура. В резултат на охлаждането и разширяването в нея се образуват елементарни частици и механизмите на тяхното взаимодействие. Първите, които се образуват, са бозоните, отговорни за електрослабото взаимодействие, последвани от кварки, адрони и лептони. Първите три минути от живота на Вселената завършват с образуването на звездна материя в процеса на първична нуклеосинтеза. През следващите 380 000 години Вселената постепенно се разширява и охлажда, след което става достатъчно студена, за да може водородът да се рекомбинира. В хода на този процес материята преминава от плазмено състояние, което е непрозрачно за по-голямата част от електромагнитното излъчване, в газообразно състояние. Именно топлинното излъчване от онази епоха, което вече можем да наблюдаваме под формата на реликтово лъчение, което се е изместило в микровълновия спектър поради разширяването на Вселената. В много отношения благодарение на наблюденията на реликтовото лъчение в експерименти като космическата обсерватория Planck физиците са формирали съществуващите представи за възрастта и еволюцията на Вселената.
Стандартният космологичен модел, който описва тези процеси, се нарича ΛCDM модел (съкратено от Lambda-Cold Dark Matter). Според него Вселената е изпълнена не само с наблюдаваната барионна материя, но и с тъмна енергия заедно със студена тъмна материя, а делът на последната в общата масо-енергия на наблюдаваната Вселена е 95 процента. Тъмната материя в нея е хипотетична форма на материята, която обяснява ефектите на скритата маса, а тъмната енергия е форма на енергия, която води до отблъскване на масивните тела и обяснява ускореното разширяване на Вселената. За потенциално обяснение на природата на тъмната материя и тъмната енергия е необходимо да се излезе отвъд Стандартния модел в рамките на физиката на частиците, тъй като той не предсказва съществуването на тъмните компоненти на Вселената.
Екипът разработва нов метод за измерване на ъгъла на поляризация на древната светлина. Щом светлинните вълни имат определена предпочитана посока на трептенията, светлината се нарича поляризирана. Фотоните на космическия микровълнов фон (CMB) са поляризирани, след като първоначално са били разсеяни от електроните (т. нар. поляризация в В-мод) 380 000 години след Големия взрив и след това чрез взаимодействие с (тъмна) материя и тъмна енергия (поляризация в Е-мод - вижте изображението по-долу ). Кредит: HCChiang
Смята се, че законите на физиката, управляващи Вселената, не се променят, когато се обърнат огледално. Например, електромагнетизмът работи по един и същи начин, независимо дали сме в оригиналната координатна система или в огледална система, в която всички пространствени координати са обърнати. Ако тази симетрия, наречена „пространствена четност“ (паритет), бъде нарушена, тя може да съдържа ключът към разбирането на неуловимата природа на тъмната материя и тъмната енергия, които заемат съответно 25 и 70 процента от енергийния баланс на Вселената днес. Докато и двете са тъмни, тези два компонента имат противоположни ефекти върху еволюцията на Вселената: тъмната материя привлича, докато тъмната енергия кара Вселената да се разширява все по-бързо.
Намекът за нарушаване на симетрията на паритета е открит в космическото микровълново фоново излъчване. Ключът е поляризираната светлина на космическия микровълнов фон. Светлината е разпространяваща се електромагнитна вълна. Когато се състои от вълни, осцилиращи в определена посока, физиците я наричат „поляризирана“. Поляризацията възниква, когато светлината се разсейва. Слънчевата светлина например се състои от вълни, които трептят във всички възможни посоки - затова тя не е поляризирана. Но светлината на дъгата е поляризирана, тъй като слънчевата светлина се пречупва от водни капчици в атмосферата. По същия начин светлината на космическия микровълнов фон първоначално се поляризира, когато се пречупва от електроните около 400 000 години след Големия взрив. И тази светлина пътува през Вселената в продължение на 13,8 милиарда години.
Космичното микровълново фоново излъчване, както е наблюдавано от Planck. Областите със синьо оцветяване са с около сто хилядни градуса по-студени от средните, а зоните с червен цвят сто хиляди градуса по-горещи. Кредит: ESA / Planck Collaboration
Към днешна дата убедителни следи от Нова физика са открити в слабите взаимодействия, където те се проявяват в нарушаване на симетриите или четността (паритета) на физическите величини. Затова е естествено да очакваме, че тъмната материя или тъмната енергия като проява на физиката отвъд Стандартния модел може също да се открие чрез нарушаването на четността.
Реликтовото лъчение от своя страна е чувствително точно към нарушаването на четността - взаимодействието на неговите фотони с тъмната материя или енергия под формата на аксиони може да доведе до промяна в посоката на поляризация на фотоните. Този ефект се нарича космическо двойно лъчепречупване и се характеризира числено с ъгъла β. Двойно лъчепречупване е оптично свойство на материалите, имащи показател на пречупване, зависещ от поляризацията и посоката на разпространение на светлината.
Но за да се измери този ъгъл, е необходимо да се знаят с висока точност ъглите на поляризация на детекторите на обсерваторията, която наблюдава CMB картината. В крайна сметка ъгълът на грешката при калибриране α при наблюдения се проявява по абсолютно същия начин като търсения ъгъл β, следователно е необходимо да се измерват независимо α и β, които до този момент не е било извършвано. В старите данни на Planck не са откривани аномалии в разпределението на температурата и поляризацията на CMB. В същите данни не бе възможно да се намерят индикации за ненулево β, но причината за това може да бъде точно системната грешка в измерванията на α - тогава тя бе 0,28 градуса, докато α + β бе равна на 0,31 градуса.
Сега Июто Минами (Yuto Minami) от Института за изследвания на частиците и ядрената енергия (IPNS) към Изследователската организация за високи енергийни ускорители (KEK), заедно с Ейчиро Комацу (Eiichiro Komatsu) от Института по астрофизика "Макс Планк", са намерили начин да изключат от измерванията на β систематичната грешка, свързана с фиксирането на α. За целта те анализират 4 поляризационни карти за различни микровълнови честоти (100, 143, 217 и 353 GHz), издадени от космическата лаборатория Planck като част от третото публикуване на данни през 2018 г. Освен поляризацията на реликтовото излъчване, учените са изследвали и поляризацията на така наречената галактическа емисия на предния план (Galactic foreground emission), която се излъчва от космическия прах в нашата галактика. Той е разположен много близо до Земята, спрямо мащаба на Вселената, затова взаимодействията с тъмна материя или енергия не могат да имат съществен принос в регистрираната поляризация, но неизбежно се влияе от ъгъла на грешка на калибриране α. Реликтовото лъчение от своя страна се влияе както от положението на детектора и свързаното с него α, така и от ъгъла на космическо двойно лъчепречупване β.
„Ако тъмната материя или тъмната енергия взаимодействат със светлината на космическия микровълнов фон по начин, който нарушава симетрията на паритета, можем да намерим нейния подпис в данните за поляризацията“, посочва Минами.
Апостериорни разпределения на космическия ъгъл на двойно лъчепречупване β от ъглите на грешката при калибриране α при различни честоти на регистрация. Кредит: Yuto Minami et al. / arXiv.org
По този начин, от наблюдения на галактическото излъчване на предния план, физиците получават стойността на ъгъла α за всяка от поредицата от измервания и с познаването на тези параметри, общото β се изчислява от картите на поляризацията на космическия микровълнов фон. В резултат на това β се оказа 0,35 ± 0,14 градуса, което изключва нулата от възможния диапазон на стойности със статистическа точност от 2,4σ (β не е нула с вероятност 99,2%. За да се претендира за откритие на нова физика, е необходима много по-голяма статистическа значимост или вероятност от 99,99995 %). Ъглите α съвпадат с нула в рамките на грешката, с изключение на случая на измервания с честота от 100 гигагерца: там той се оказва −0,28 ± 0,13 градуса. Авторите обясняват това, че при по-ниски честоти в измерванията може да има принос поляризацията на тормозното излъчване. За да се убедят в обратното, учените изключват тези данни от изчисленията и преизчисляват търсения ъгъл, но статистическата точност на измерванията при това само се увеличава. Освен това изследователите повтарят предишните измервания, без да вземат предвид връзката между α и β и получават същия резултат като техните колеги през 2016 г. въз основа на първия и втория релийз на данните от Planck.
Таблица на измерените стойности за космическия ъгъл на двойно лъчепречупване β от ъглите на грешка при калибриране α при различни регистрационни честоти. Кредит: Yuto Minami et al. / arXiv.org
Всичко това, според авторите, показва надеждността на получените резултати и отваря нови възможности за изследване на взаимодействието на реликтовите фотони с полетата на аксионната тъмна материя или енергия. Същите тези методи могат да се използват за ограничаване на съществуващи модели на тъмните съставки на нашата Вселена. Според учените е важно също така да се увеличи статистическата точност на резултатите, получени чрез използване на усъвършенствани методи за обработка на данни в съществуващите и бъдещите експерименти за изследване на поляризацията на CMB.
Поляризацията на реликтното излъчване, разбира се, може да разкаже много за барионната материя - по-рано физиците са измервали масата на галактическите клъстери въз основа на слабите колебания в поляризацията на излъчването на гравитационните лещи. И още по-фини явления, например реликтови гравитационни вълни, също могат да бъдат проследени от колебанията на реликтовото лъчение.
„Ясно е, че все още не сме намерили категорични доказателства за нова физика; за потвърждаване на този сигнал е необходима по-висока статистическа значимост. Но сме развълнувани, защото нашият нов метод най-накрая ни позволи да направим това „невъзможно“ измерване, което може да сочи към нова физика“, заяви Ейчиро Комацу, директор на MPA и главен изследовател в Института за физика и математика на Вселената "Кавли".
За да потвърди този сигнал, новият метод може да се приложи към всеки от съществуващите - и бъдещите - експерименти, измерващи поляризацията на космическия микровълнов фон, като Simons Array и LiteBIRD, в които участват както KEK, така и Kavli IPMU.
Справка:
- New Extraction of the Cosmic Birefringence from the Planck 2018 Polarization Data
Yuto Minami and Eiichiro Komatsu
Phys. Rev. Lett. 125, 221301 – Published 23 November 2020, doi:10.1103/PhysRevLett.125.221301 - New Extraction of the Cosmic Birefringence from the Planck 2018 Polarization Data
Yuto Minami, Eiichiro Komatsu, https://arxiv.org/pdf/2011.11254.pdf
Източник: A hint of new physics in polarized radiation from the early Universe,
Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU)
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари