Usando datos de Planck de la radiación cósmica de fondo de microondas, un equipo internacional de investigadores ha observado un indicio de nueva física. El equipo desarrolló un nuevo método para medir el ángulo de polarización de la luz antigua calibrándolo con la emisión de polvo de nuestra propia Vía Láctea. Si bien la señal no se detecta con suficiente precisión para sacar conclusiones definitivas, puede sugerir que la materia oscura o la energía oscura provocan una violación de la llamada "simetría de paridad".

Se cree que las leyes de la física que gobiernan el universo no cambian cuando se dan la vuelta en un espejo. Por ejemplo, El electromagnetismo funciona igual independientemente de si se encuentra en el sistema original, o en un sistema reflejado en el que se han invertido todas las coordenadas espaciales. Si esta simetría, llamado "paridad, "es violado, puede ser la clave para comprender la naturaleza elusiva de la materia oscura y la energía oscura, que ocupan el 25 y el 70 por ciento del presupuesto energético del universo actual, respectivamente. Mientras que ambos están oscuros, estos dos componentes tienen efectos opuestos en la evolución del universo:la materia oscura atrae, mientras que la energía oscura hace que el universo se expanda cada vez más rápido.

Un nuevo estudio incluidos investigadores del Instituto de Estudios Nucleares y de Partículas (IPNS) de la Organización de Investigación del Acelerador de Alta Energía (KEK), el Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU) de la Universidad de Tokio, y el Instituto Max Planck de Astrofísica (MPA), informa sobre una sugerente sugerencia de nueva física, con un nivel de confianza del 99,2 por ciento, que viola la simetría de paridad. Sus hallazgos fueron publicados en la revista Cartas de revisión física el 23 de noviembre 2020; el artículo fue seleccionado como "Sugerencia de los editores, "juzgado por los editores de la revista como importante, interesante, y bien escrito.

La pista de una violación de la simetría de paridad se encontró en la radiación cósmica de fondo de microondas, la luz remanente del Big Bang. La clave es la luz polarizada del fondo cósmico de microondas. La luz es una onda electromagnética que se propaga. Cuando se compone de ondas que oscilan en una dirección preferida, los físicos lo llaman "polarizado". La polarización surge cuando la luz se dispersa. Luz del sol, por ejemplo, consta de ondas con todas las direcciones de oscilación posibles; por lo tanto, no está polarizado. La luz de un arcoiris mientras tanto, está polarizado porque la luz solar es dispersada por gotitas de agua en la atmósfera. Similar, la luz del fondo cósmico de microondas inicialmente se polarizó cuando se dispersó por electrones 400, 000 años después del Big Bang. A medida que esta luz viajó por el universo durante 13,8 mil millones de años, la interacción del fondo cósmico de microondas con la materia oscura o la energía oscura podría hacer que el plano de polarización rote en un ángulo β (Figura).

"Si la materia oscura o la energía oscura interactúan con la luz del fondo cósmico de microondas de una manera que viola la simetría de paridad, podemos encontrar su firma en los datos de polarización, "señala Yuto Minami, becario postdoctoral en IPNS, KEK.

Para medir el ángulo de rotación β, los científicos necesitaban detectores sensibles a la polarización, como los que se encuentran a bordo del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA). Y necesitaban saber cómo se orientan los detectores sensibles a la polarización en relación con el cielo. Si esta información no se conocía con suficiente precisión, el plano de polarización medido parecería girar artificialmente, creando una señal falsa. En el pasado, las incertidumbres sobre la rotación artificial introducidas por los propios detectores limitaron la precisión de la medición del ángulo de polarización cósmica β.

"Desarrollamos un nuevo método para determinar la rotación artificial utilizando la luz polarizada emitida por el polvo en nuestra Vía Láctea, "dijo Minami." Con este método, hemos logrado una precisión que es el doble que la del trabajo anterior, y finalmente pueden medir β. "La distancia recorrida por la luz desde el polvo dentro de la Vía Láctea es mucho más corta que la del fondo cósmico de microondas. Esto significa que la emisión de polvo no se ve afectada por la materia oscura o la energía oscura, es decir, β está presente solo a la luz del fondo cósmico de microondas, mientras que la rotación artificial afecta a ambos. Por tanto, la diferencia en el ángulo de polarización medido entre ambas fuentes de luz se puede utilizar para medir β.

El equipo de investigación aplicó el nuevo método para medir β a partir de los datos de polarización tomados por el satélite Planck. Encontraron un indicio de violación de la simetría de paridad con un nivel de confianza del 99,2 por ciento. Para reclamar un descubrimiento de nueva física, significancia estadística mucho mayor, o un nivel de confianza del 99,99995 por ciento, es requerido. Eiichiro Komatsu, director de MPA e investigador principal de Kavli IPMU, dijo:"Está claro que todavía no hemos encontrado evidencia definitiva para la nueva física; se necesita una mayor significación estadística para confirmar esta señal. Pero estamos emocionados porque nuestro nuevo método finalmente nos permitió hacer esta medición 'imposible', lo que puede apuntar a una nueva física ".

Para confirmar esta señal, el nuevo método se puede aplicar a cualquiera de los experimentos existentes (y futuros) que miden la polarización del fondo cósmico de microondas, como Simons Array y LiteBIRD, en el que participan tanto la KEK como la Kavli IPMU.