Polarisation des kosmischen Mikrowellenhintergrunds. (ESA und die Planck-Kollaboration) Im gesamten bekannten Raum, zwischen den Sternen und den Galaxien, herrscht ein äußerst schwaches Leuchten, ein Relikt aus der Anfänge des Universums. Dies ist das kosmischer Mikrowellenhintergrund (CMB), das erste Licht, das durch das Universum wandern konnte, als es etwa 380.000 Jahre nach dem Universum ausreichend abkühlte Urknall für Ionen und Elektronen zu Atomen verbinden .
Doch nun haben Wissenschaftler etwas Merkwürdiges am CMB entdeckt. Eine neue Messtechnik hat Hinweise auf eine Verdrehung des Lichts ergeben – etwas, das ein Zeichen für eine Verletzung der Paritätssymmetrie und ein Hinweis auf die Physik außerhalb des Lichts sein könnte Standardmodell .
Nach dem Standardmodell der Physik müssten die Gesetze der Physik gelten, wenn wir das Universum so umdrehen würden, als wäre es ein Spiegelbild seiner selbst. Subatomare Wechselwirkungen sollten im Spiegel genauso ablaufen wie im realen Universum. Dies nennt man Paritätssymmetrie.
Soweit wir bisher messen konnten, gibt es nur eine grundlegende Wechselwirkung, die die Paritätssymmetrie durchbricht; Das ist die schwache Wechselwirkung zwischen subatomaren Teilchen, die für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist. Aber die Entdeckung eines anderen Ortes, an dem die Paritätssymmetrie zusammenbricht, könnte uns möglicherweise zu einer neuen Physik jenseits des Standardmodells führen.
Und zwei Physiker – Yuto Minami von der High Energy Accelerator Research Organization in Japan; und Eiichiro Komatsu vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Deutschland und dem Kavli-Institut für Physik und Mathematik des Universums in Japan – glauben, dass sie im Polarisationswinkel des CMB Hinweise darauf gefunden haben.
Polarisation entsteht, wenn Licht gestreut wird, wodurch sich seine Wellen in einer bestimmten Ausrichtung ausbreiten.
Reflektierende Oberflächen wie Glas und Wasser polarisieren Licht. Sie kennen wahrscheinlich polarisierte Sonnenbrillen, die bestimmte Ausrichtungen blockieren, um die Lichtmenge, die das Auge erreicht, zu verringern.
Sogar Wasser und Partikel in der Atmosphäre können Licht streuen und polarisieren; A Regenbogen ist ein gutes Beispiel dafür .
Das frühe Universum war in den ersten 380.000 Jahren so heiß und dicht, dass keine Atome existieren konnten. Protonen und Elektronen flogen als ionisiertes Plasma umher und das Universum war undurchsichtig, wie ein dichter, rauchiger Nebel.
Erst als das Universum so weit abgekühlt war, dass sich diese Protonen und Elektronen zu einem neutralen Gas und Wasserstoffatomen verbinden konnten, wurde der Raum frei und die Photonen konnten sich frei bewegen.
Als das ionisierte Plasma in ein neutrales Gas überging, streuten die Photonen an Elektronen, wodurch das CMB polarisiert wurde. Die Polarisation des CMB kann uns viel über das Universum verraten. Vor allem, wenn es schräg gedreht ist.
Dieser als β bezeichnete Winkel könnte auf eine CMB-Wechselwirkung mit hinweisen Dunkle Materie oder dunkle Energie , die mysteriösen inneren und äußeren Kräfte, die das Universum zu dominieren scheinen, die wir aber nicht direkt erkennen können.
(Y. Minami/KEK)
„Wenn dunkle Materie oder dunkle Energie mit dem Licht des kosmischen Mikrowellenhintergrunds auf eine Weise interagieren, die die Paritätssymmetrie verletzt, können wir ihre Signatur in den Polarisationsdaten finden.“ Minami erklärte .
Das Problem bei der sicheren Identifizierung von β liegt in der Technologie, die wir zur Erkennung der Polarisation des CMB verwenden. Die der Europäischen Weltraumorganisation Planck-Satellit , das 2018 seine aktuellsten Beobachtungen des CMB veröffentlichte, ist mit polarisationsempfindlichen Detektoren ausgestattet.
Aber wenn Sie nicht genau wissen, wie diese Detektoren relativ zum Himmel ausgerichtet sind, ist es unmöglich zu sagen, ob es sich bei dem, was Sie sehen, tatsächlich um β handelt oder um eine Drehung des Detektors, die nur wie β aussieht.
Die Technik des Teams basiert auf der Untersuchung einer anderen Quelle polarisierten Lichts und dem Vergleich der beiden, um das falsche Signal zu extrahieren.
„Wir haben eine neue Methode entwickelt, um die künstliche Rotation mithilfe des polarisierten Lichts zu bestimmen, das vom Staub in unserer Milchstraße emittiert wird.“ sagte Minami . „Mit dieser Methode haben wir eine doppelt so hohe Präzision wie bei der vorherigen Arbeit erreicht und sind nun endlich in der Lage, β zu messen.“
Die Strahlungsquellen der Milchstraße liegen viel näher als das CMB und werden daher nicht von dunkler Materie oder dunkler Energie beeinflusst. Jede Drehung der Polarisation sollte daher nur das Ergebnis einer Drehung im Detektor sein.
Der CMB wird sowohl von β als auch von der künstlichen Rotation beeinflusst – wenn man also die in den Milchstraßenquellen beobachtete künstliche Rotation von den CMB-Beobachtungen abzieht, sollte nur β übrig bleiben.
Mithilfe dieser Technik stellte das Team mit einer Sicherheit von 99,2 Prozent fest, dass β ungleich Null ist. Das scheint ziemlich hoch zu sein, reicht aber immer noch nicht aus, um von einer Entdeckung neuer Physik zu sprechen. Dafür ist ein Konfidenzniveau von 99,99995 Prozent erforderlich.
Aber der Befund zeigt sicherlich, dass es sich lohnt, die CMB genauer zu untersuchen.
„Es ist klar, dass wir noch keine endgültigen Beweise für neue Physik gefunden haben; „Eine höhere statistische Signifikanz ist erforderlich, um dieses Signal zu bestätigen“, sagte der Astrophysiker Eiichiro Komatsu des Kavli-Instituts für Physik und Mathematik des Universums.
„Aber wir sind begeistert, denn unsere neue Methode hat es uns endlich ermöglicht, diese ‚unmögliche‘ Messung durchzuführen, die möglicherweise auf neue Physik hinweist.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung .