Ученые обнаружили намеки на новую физику в фоновом излучении Вселенной

Повсюду в известном космосе, между звездами и галактиками, разливается очень слабое свечение — пережиток рассвета Вселенной.

Это космический микроволновый фон (CMB), первый свет, который мог пройти через Вселенную, когда он достаточно охладился примерно через 380000 лет после Большого взрыва, чтобы ионы и электроны объединились в атомы.

Но теперь ученые обнаружили кое-что необычное в реликтовом излучении. Новая методика измерений выявила намёки на поворот света — что-то, что может быть признаком нарушения симметрии четности, намекая на физику за пределами Стандартной модели.

Согласно Стандартной модели физики, если бы мы перевернули Вселенную, как если бы она была зеркальным отражением самой себя, законы физики остались бы неизменными. Субатомные взаимодействия должны происходить в зеркале точно так же, как и в реальной Вселенной. Это называется симметрией четности.

Насколько нам удалось измерить до сих пор, есть только одно фундаментальное взаимодействие, которое нарушает симметрию четности; это слабое взаимодействие между субатомными частицами, ответственное за радиоактивный распад. Но обнаружение другого места, где нарушается симметрия четности, потенциально может привести нас к новой физике за пределы Стандартной модели.

И два физика — Юто Минами из Японской организации по исследованию ускорителей высоких энергий; и Эйитиро Комацу из Института астрофизики Макса Планка в Германии и Института физики и математики Вселенной Кавли в Японии — полагают, что они нашли намеки на это в угле поляризации реликтового излучения.

Поляризация возникает, когда свет рассеивается, заставляя его волны распространяться в определенной ориентации.

Отражающие поверхности, такие как стекло и вода, поляризуют свет. Вы, вероятно, знакомы с поляризованными солнцезащитными очками, предназначенными для блокировки определенных ориентаций, чтобы уменьшить количество света, попадающего в глаз.

Даже вода и частицы в атмосфере могут рассеивать и поляризовать свет; радуга — хороший тому пример.

Ранняя Вселенная, в течение первых 380 000 лет, была настолько горячей и плотной, что атомы не могли существовать. Протоны и электроны летали как ионизированная плазма, а Вселенная была непрозрачной, как густой туман.

Только после того, как Вселенная остыла достаточно, чтобы эти протоны и электроны объединились в атомы водорода — нейтрального газа, пространство стало чистым, позволяя фотонам свободно перемещаться.

Когда ионизированная плазма переходила в нейтральный газ, фотоны рассеивались на электронах, вызывая поляризацию реликтового излучения. Поляризация реликтового излучения может многое рассказать нам о Вселенной. Особенно, если он повернут под углом.

Этот угол, обозначаемый как β, может указывать на взаимодействие реликтового излучения с темной материей или темной энергией, таинственными внутренними и внешними силами, которые, кажется, доминируют во Вселенной, но которые мы не можем напрямую обнаружить.

«Если темная материя или темная энергия взаимодействуют со светом космического микроволнового фона, способом, который нарушает симметрию четности, мы можем найти его сигнатуру в данных поляризации», — объяснил Минами.

Проблема с определением β с какой-либо уверенностью заключается в технологии, которую мы используем для обнаружения поляризации реликтового излучения. Спутник Европейского космического агентства Planck, который опубликовал самые свежие данные о реликтовом излучении в 2018 году, оснащен поляризационно-чувствительными детекторами.

Используя этот метод, команда определила, что β не равно нулю с точностью 99,2%. Это кажется довольно высоким, но все же недостаточно, чтобы заявить об открытии новой физики. Для этого требуется уровень достоверности 99,99995%.

Но это открытие определенно демонстрирует, что реликтовое излучение заслуживает более внимательного изучения.

«Ясно, что мы еще не нашли окончательных доказательств новой физики; для подтверждения этого сигнала требуется более высокая статистическая значимость», — сказал астрофизик Эйитиро Комацу из Института физики и математики Вселенной Кавли.

«Но мы взволнованы, потому что наш новый метод, наконец, позволил нам сделать это «невозможное» измерение, которое может указывать на новую физику».

Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Источники: Фото: Поляризация космического микроволнового фона. (ЕКА и сотрудничество Planck)