Un indicio de nueva física observada en radiación polarizada del universo temprano

A medida que la luz del fondo cósmico de microondas emitida hace 13.800 millones de años (imagen de la izquierda) viaja a través del Universo hasta que se observa en la Tierra (imagen de la derecha), la dirección en la que oscila la onda electromagnética (línea naranja) se rota en un ángulo β. La rotación podría ser causada por materia oscura o energía oscura que interactúa con la luz del fondo cósmico de microondas, lo que cambia los patrones de polarización (líneas negras dentro de las imágenes). Las regiones roja y azul en las imágenes muestran regiones frías y calientes del fondo cósmico de microondas, respectivamente. Crédito: Y. Minami / KEK

Utilizando 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 la nuestra. 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 se viola esta simetría, llamada “paridad”, 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 de energía del Universo hoy, respectivamente. Aunque ambos son 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, que incluye a 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 un indicio tentador 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 de 2020; el artículo fue seleccionado como “Sugerencia de los editores”, considerado por los editores de la revista como importante, interesante y bien escrito.

El indicio de una violación de la simetría de paridad se encontró en la radiación cósmica de fondo de microondas, la luz remanente de la Big Bang. La clave es la luz polarizada del fondo cósmico de microondas. La luz es una onda electromagnética que se propaga. Cuando consiste en ondas que oscilan en una dirección preferida, los físicos lo llaman “polarizado”. La polarización surge cuando la luz se dispersa. La luz del sol, por ejemplo, consta de ondas con todas las posibles direcciones de oscilación; por lo tanto, no está polarizado. La luz de un arco iris, mientras tanto, está polarizada porque la luz solar es dispersada por gotas de agua en la atmósfera. De manera similar, la luz del fondo cósmico de microondas inicialmente se polarizó cuando fue dispersada 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 conociera 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 limitaban la medición exactitud 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 de la del trabajo anterior, y finalmente podemos medir β”. La distancia recorrida por la luz del 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, se requiere una significación estadística mucho mayor, o un nivel de confianza del 99,99995 por ciento. Eiichiro Komatsu, director de la MPA e investigador principal de Kavli IPMU y del Cluster of Excellence ORIGINS, dijo: “Está claro que todavía no hemos encontrado evidencia definitiva de nueva física; se necesita una mayor significación estadística para confirmar esta señal. Pero estamos entusiasmados porque nuestro nuevo método finalmente nos permitió hacer esta medición ‘imposible’, 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 los que participan tanto KEK como Kavli IPMU.

Referencia: “Nueva extracción de la birrefringencia cósmica de los datos de polarización de Planck 2018” por Yuto Minami y Eiichiro Komatsu, 23 de noviembre de 2020, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.221301