Utilizzando i dati di Planck dalla radiazione cosmica di fondo a microonde, un team internazionale di ricercatori ha osservato un accenno di nuova fisica. Il team ha sviluppato un nuovo metodo per misurare l'angolo di polarizzazione della luce antica calibrandolo con l'emissione di polvere dalla nostra Via Lattea. Sebbene il segnale non venga rilevato con sufficiente precisione per trarre conclusioni definitive, potrebbe suggerire che la materia oscura o l'energia oscura causino una violazione della cosiddetta "simmetria di parità".

Si pensa che le leggi della fisica che governano l'universo non cambino quando vengono capovolte in uno specchio. Per esempio, l'elettromagnetismo funziona allo stesso modo indipendentemente dal fatto che tu sia nel sistema originale, o in un sistema speculare in cui tutte le coordinate spaziali sono state capovolte. Se questa simmetria, chiamato "parità, "è violato, può contenere la chiave per comprendere la natura sfuggente della materia oscura e dell'energia oscura, che oggi occupano il 25 e il 70 per cento del bilancio energetico dell'universo, rispettivamente. Mentre entrambi sono scuri, queste due componenti hanno effetti opposti sull'evoluzione dell'universo:la materia oscura attrae, mentre l'energia oscura fa sì che l'universo si espanda sempre più velocemente.

Un nuovo studio, tra cui ricercatori dell'Istituto di studi sulle particelle e nucleari (IPNS) presso l'High Energy Accelerator Research Organization (KEK), il Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) dell'Università di Tokyo, e l'Istituto Max Planck di Astrofisica (MPA), riporta un allettante accenno di nuova fisica, con un livello di confidenza del 99,2 percento, che viola la simmetria di parità. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica il 23 novembre, 2020; il documento è stato selezionato come "Suggerimento della redazione, " giudicato importante dagli editori della rivista, interessante, e ben scritto.

L'accenno a una violazione della simmetria di parità è stato trovato nella radiazione cosmica di fondo a microonde, la luce residua del Big Bang. La chiave è la luce polarizzata del fondo cosmico a microonde. La luce è un'onda elettromagnetica che si propaga. Quando si tratta di onde che oscillano in una direzione preferita, i fisici lo chiamano "polarizzato". La polarizzazione sorge quando la luce viene dispersa. Luce del sole, ad esempio, è costituito da onde con tutte le possibili direzioni di oscillazione; così, non è polarizzato. La luce di un arcobaleno, nel frattempo, è polarizzata perché la luce del sole è dispersa dalle goccioline d'acqua nell'atmosfera. Allo stesso modo, la luce del fondo cosmico a microonde inizialmente si polarizzava quando veniva diffusa dagli elettroni 400, 000 anni dopo il Big Bang. Poiché questa luce ha viaggiato attraverso l'universo per 13,8 miliardi di anni, l'interazione del fondo cosmico a microonde con la materia oscura o l'energia oscura potrebbe far ruotare il piano di polarizzazione di un angolo (Figura).

"Se la materia oscura o l'energia oscura interagiscono con la luce del fondo cosmico a microonde in un modo che viola la simmetria di parità, possiamo trovare la sua firma nei dati di polarizzazione, " sottolinea Yuto Minami, un borsista post-dottorato presso IPNS, KEK.

Per misurare l'angolo di rotazione β, gli scienziati avevano bisogno di rilevatori sensibili alla polarizzazione, come quelli a bordo del satellite Planck dell'Agenzia spaziale europea (ESA). E avevano bisogno di sapere come sono orientati i rivelatori sensibili alla polarizzazione rispetto al cielo. Se queste informazioni non erano note con sufficiente precisione, il piano di polarizzazione misurato sembrerebbe ruotato artificialmente, creando un falso segnale. Nel passato, le incertezze sulla rotazione artificiale introdotte dai rivelatori stessi limitavano la precisione di misura dell'angolo di polarizzazione cosmica .

"Abbiamo sviluppato un nuovo metodo per determinare la rotazione artificiale utilizzando la luce polarizzata emessa dalla polvere nella nostra Via Lattea, " disse Minami. "Con questo metodo, abbiamo raggiunto una precisione doppia rispetto al lavoro precedente, e sono finalmente in grado di misurare β." La distanza percorsa dalla luce dalla polvere all'interno della Via Lattea è molto più breve di quella del fondo cosmico a microonde. Ciò significa che l'emissione di polvere non è influenzata dalla materia oscura o dall'energia oscura, cioè β è presente solo alla luce del fondo cosmico a microonde, mentre la rotazione artificiale colpisce entrambi. La differenza nell'angolo di polarizzazione misurato tra entrambe le sorgenti luminose può quindi essere utilizzata per misurare β.

Il team di ricerca ha applicato il nuovo metodo per misurare β dai dati di polarizzazione presi dal satellite Planck. Hanno trovato un indizio di violazione della simmetria di parità con un livello di confidenza del 99,2%. Per rivendicare una scoperta di nuova fisica, significatività statistica molto maggiore, o un livello di confidenza del 99,99995 percento, è obbligatorio. Eiichiro Komatsu, direttore presso l'MPA e Principal Investigator presso l'IPMU Kavli, ha dichiarato:"È chiaro che non abbiamo ancora trovato prove definitive per una nuova fisica; è necessaria una maggiore significatività statistica per confermare questo segnale. Ma siamo entusiasti perché il nostro nuovo metodo ci ha finalmente permesso di effettuare questa misurazione 'impossibile', che potrebbe indicare una nuova fisica".

Per confermare questo segnale, il nuovo metodo può essere applicato a uno qualsiasi degli esperimenti esistenti e futuri che misurano la polarizzazione del fondo cosmico a microonde, come Simons Array e LiteBIRD, in cui sono coinvolti sia KEK che Kavli IPMU.