Un soupçon de nouvelle physique dans le rayonnement polarisé de l’univers primitif –

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  • En utilisant les données de Planck du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes, une équipe internationale de chercheurs a observé un soupçon de nouvelle physique. L’équipe a développé une nouvelle méthode pour mesurer l’angle de polarisation de la lumière ancienne en l’étalonnant avec l’émission de poussière de notre propre Voie Lactée.

    Bien que le signal ne soit pas détecté avec suffisamment de précision pour tirer des conclusions définitives, il peut suggérer que la matière noire ou l’énergie noire provoque une violation de la soi-disant «symétrie de parité».

    On pense que les lois de la physique régissant l’Univers ne changent pas lorsqu’elles sont retournées dans un miroir. Par exemple, l’électromagnétisme fonctionne de la même manière, que vous soyez dans le système d’origine ou dans un système en miroir dans lequel toutes les coordonnées spatiales ont été inversées.

    Si cette symétrie, appelée «parité», est violée, elle peut détenir la clé pour comprendre la nature insaisissable de la matière noire et de l’énergie noire, qui occupent respectivement 25 et 70% du budget énergétique de l’Univers aujourd’hui. Bien que tous deux sombres, ces deux composants ont des effets opposés sur l’évolution de l’Univers: la matière noire attire, tandis que l’énergie sombre fait que l’Univers se développe toujours plus rapidement.

    Une nouvelle étude, incluant des chercheurs de l’Institut d’études des particules et nucléaires (IPNS) de la High Energy Accelerator Research Organization (KEK), de l’Institut Kavli pour la physique et les mathématiques de l’univers (Kavli IPMU) de l’Université de Tokyo, et le Max Planck Institute for Astrophysics (MPA), rapporte un allusion alléchante de nouvelle physique – avec un niveau de confiance de 99,2% – qui viole la symétrie de parité.

    Leurs résultats ont été publiés dans la revue Lettres d’examen physique le 23 novembre 2020.

    L’indication d’une violation de la symétrie de parité a été trouvée dans le rayonnement de fond cosmique micro-ondes, la lumière résiduelle du Big Bang. La clé est la lumière polarisée du fond cosmique des micro-ondes. La lumière est une onde électromagnétique qui se propage. Lorsqu’il s’agit d’ondes oscillant dans une direction privilégiée, les physiciens l’appellent «polarisée». La polarisation survient lorsque la lumière est diffusée.

    La lumière du soleil, par exemple, se compose d’ondes avec toutes les directions d’oscillation possibles; ainsi, il n’est pas polarisé. La lumière d’un arc-en-ciel, quant à elle, est polarisée car la lumière du soleil est diffusée par des gouttelettes d’eau dans l’atmosphère. De même, la lumière du fond cosmique micro-ondes s’est d’abord polarisée lorsqu’elle a été diffusée par des électrons 400 000 ans après le Big Bang. Alors que cette lumière a traversé l’Univers pendant 13,8 milliards d’années, l’interaction du fond de micro-ondes cosmique avec la matière noire ou l’énergie noire pourrait faire tourner le plan de polarisation d’un angle.

    «Si la matière noire ou l’énergie noire interagissent avec la lumière du fond cosmique micro-ondes d’une manière qui viole la symétrie de parité, nous pouvons trouver sa signature dans les données de polarisation», souligne Yuto Minami, stagiaire postdoctoral à l’IPNS, KEK.

    Pour mesurer l’angle de rotation, les scientifiques avaient besoin de détecteurs sensibles à la polarisation, comme ceux embarqués sur le satellite Planck de l’Agence spatiale européenne (ESA). Et ils avaient besoin de savoir comment les détecteurs sensibles à la polarisation sont orientés par rapport au ciel. Si cette information n’était pas connue avec une précision suffisante, le plan de polarisation mesuré semblerait pivoté artificiellement, créant un faux signal.

    Dans le passé, les incertitudes sur la rotation artificielle introduites par les détecteurs eux-mêmes limitaient la précision de mesure de l’angle de polarisation cosmique.

    «Nous avons développé une nouvelle méthode pour déterminer la rotation artificielle en utilisant la lumière polarisée émise par la poussière dans notre Voie lactée», a déclaré Minami. “Avec cette méthode, nous avons atteint une précision deux fois supérieure à celle des travaux précédents, et sommes enfin capables de mesurer (l’angle de polarisation).”

    La distance parcourue par la lumière de la poussière dans la Voie lactée est beaucoup plus courte que celle du fond cosmique des micro-ondes. Cela signifie que l’émission de poussière n’est pas affectée par la matière noire ou l’énergie noire, c’est-à-dire que (l’angle de polarisation) n’est présent que dans la lumière du fond cosmique des micro-ondes, tandis que la rotation artificielle affecte les deux. La différence de l’angle de polarisation mesuré entre les deux sources de lumière peut ainsi être utilisée pour mesurer (l’angle).

    L’équipe de recherche a appliqué la nouvelle méthode pour mesurer (l’angle) à partir des données de polarisation prises par le satellite Planck. Ils ont trouvé un indice de violation de la symétrie de parité avec un niveau de confiance de 99,2%. Pour revendiquer une découverte d’une nouvelle physique, une signification statistique beaucoup plus grande, ou un niveau de confiance de 99,99995%, est nécessaire.

    Eiichiro Komatsu, directeur de l’AMP et chercheur principal à l’IPMU de Kavli, a déclaré: «Il est clair que nous n’avons pas encore trouvé de preuves définitives pour une nouvelle physique; une signification statistique plus élevée est nécessaire pour confirmer ce signal. Mais nous sommes enthousiasmés car notre nouveau Cette méthode nous a finalement permis de faire cette mesure “impossible”, qui peut indiquer une nouvelle physique. “

    Pour confirmer ce signal, la nouvelle méthode peut être appliquée à n’importe laquelle des expériences existantes – et futures – mesurant la polarisation du fond de micro-ondes cosmique, telles que Simons Array et LiteBIRD, dans lesquelles KEK et Kavli IPMU sont impliqués.

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