宇宙微波背景新發(fā)現(xiàn)：暗物質(zhì)和暗能量可能會(huì)破壞“宇稱”對(duì)稱性！

利用普朗克衛(wèi)星來(lái)自宇宙微波背景輻射的數(shù)據(jù)，一個(gè)國(guó)際研究小組觀察到了一絲新的物理現(xiàn)象。該研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新方法來(lái)測(cè)量古代光的偏振角，方法是用我們銀河系釋放的塵埃對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。雖然探測(cè)到的信號(hào)不夠精確，無(wú)法得出明確的結(jié)論，但這可能表明暗物質(zhì)或暗能量會(huì)破壞所謂的“宇稱對(duì)稱性”。一般認(rèn)為，控制宇宙的物理定律在“鏡像”中翻轉(zhuǎn)時(shí)是不會(huì)改變的。

例如無(wú)論是在原始系統(tǒng)中，還是在所有空間坐標(biāo)都已翻轉(zhuǎn)的鏡像系統(tǒng)中，電磁的原理都相同。如果這種被稱為“宇稱”的對(duì)稱性遭到破壞，它可能是理解暗物質(zhì)和暗能量難以捉摸本質(zhì)的關(guān)鍵。目前，暗物質(zhì)和暗能量分別占宇宙總能量的25%和70%。雖然這兩個(gè)分量都是“暗”的，但它們對(duì)宇宙演化的影響卻是相反：暗物質(zhì)吸引，而暗能量導(dǎo)致宇宙膨脹得更快。包括來(lái)自高能加速器研究組織(KEK)粒子與核子研究所(IPNS)、東京大學(xué)卡夫利宇宙物理與數(shù)學(xué)研究所(Kavli IPMU)

及其馬克斯·普朗克天體物理研究所(MPA)在內(nèi)的一項(xiàng)新研究，報(bào)告了一種誘人的新物理學(xué)暗示（99.2%的置信度）這違反了宇稱對(duì)稱性，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上。在宇宙微波背景輻射（宇宙大爆炸的殘余光）中發(fā)現(xiàn)了違背宇稱對(duì)稱性的暗示。關(guān)鍵是宇宙微波背景的偏振光，光是一種傳播的電磁波。當(dāng)光由沿首選方向振蕩的波組成時(shí)，物理學(xué)家稱之為“極化”。當(dāng)光被散射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生偏振。例如，太陽(yáng)光由具有所有可能的振蕩方向的波組成，因此它不是偏振的。

與此同時(shí)，彩虹的光線是偏振的，因?yàn)樘?yáng)光被大氣中的水滴散射。類似地，宇宙微波背景的光最初在宇宙大爆炸40萬(wàn)年后被電子散射時(shí)變得偏振。由于這種光在宇宙中傳播了138億年，宇宙微波背景與暗物質(zhì)或暗能量的相互作用，可能導(dǎo)致偏振平面旋轉(zhuǎn)β角（如圖1）。KEK IPNS博士后研究員Yuto Minami指出：如果暗物質(zhì)或暗能量以違反宇稱對(duì)稱性的方式與宇宙微波背景光相互作用，我們可以在偏振數(shù)據(jù)中找到它的特征。

為了測(cè)量旋轉(zhuǎn)角β，科學(xué)家們需要偏振敏感探測(cè)器，比如歐洲航天局（ESA）普朗克衛(wèi)星上的探測(cè)器，需要知道偏振敏感型探測(cè)器相對(duì)于天空是如何定位的。如果這一信息不夠精確，測(cè)量的偏振平面將看起來(lái)像是人為旋轉(zhuǎn)的，從而產(chǎn)生假信號(hào)。在過(guò)去，探測(cè)器本身引入的人為旋轉(zhuǎn)不確定性限制了宇宙偏振角β的測(cè)量精度。研究開(kāi)發(fā)了一種新的方法，利用銀河系中塵埃發(fā)出的偏振光來(lái)確定人工旋轉(zhuǎn)。有了這種方法，測(cè)量精度比以前的提高了一倍，也終于能夠測(cè)量出β角了。

99.2%的置信度

銀河系內(nèi)塵埃發(fā)出的光，傳播距離比宇宙微波背景的距離短得多。這意味著塵埃的發(fā)射不受暗物質(zhì)或暗能量的影響，即β角只存在于宇宙微波背景的光線中，而人為旋轉(zhuǎn)對(duì)兩者都有影響。因此，兩個(gè)光源之間測(cè)量的偏振角的差異可以用來(lái)測(cè)量β角。研究小組應(yīng)用這種新方法從普朗克衛(wèi)星獲取的偏振數(shù)據(jù)中測(cè)量β角，在99.2%的置信度下發(fā)現(xiàn)了違反奇偶對(duì)稱的線索，但要宣稱發(fā)現(xiàn)了新的物理學(xué)，需要有更大的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，或者說(shuō)需要達(dá)到99.99995%的置信度。

MPA主任、Kavli IPMU首席研究員小松榮一郎(Eiichiro Komatsu)說(shuō)：很明顯，我們還沒(méi)有找到新物理學(xué)的確鑿證據(jù)；需要更高的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義來(lái)證實(shí)這一信號(hào)。但我們很興奮，因?yàn)樾路椒ńK于讓我們能夠讓這種‘不可能’的測(cè)量變得‘可能’，這可能指向新的物理學(xué)。為了確認(rèn)這一信號(hào)，新方法可以應(yīng)用于任何現(xiàn)有和未來(lái)測(cè)量宇宙微波背景偏振的實(shí)驗(yàn)，如西蒙斯陣列和LiteBIRD，其中包括KEK和Kavli IPMU。

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博科園｜研究/來(lái)自：卡夫里基金會(huì)

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.221301

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