En utilisant les données de Planck du rayonnement de fond cosmique 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 la calibrant 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, cela 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 ou non dans le système d'origine, ou dans un système en miroir dans lequel toutes les coordonnées spatiales ont été inversées. Si cette symétrie, appelé "parité, " est violé, il peut détenir la clé pour comprendre la nature insaisissable de la matière noire et de l'énergie noire, qui occupent 25 et 70 pour cent du budget énergétique de l'univers aujourd'hui, respectivement. Alors que les deux sombres, ces deux composantes ont des effets opposés sur l'évolution de l'univers :la matière noire attire, tandis que l'énergie noire provoque une expansion toujours plus rapide de l'univers.

Une nouvelle étude, dont des chercheurs de l'Institute of Particle and Nuclear Studies (IPNS) de la High Energy Accelerator Research Organisation (KEK), l'Institut Kavli pour la Physique et les Mathématiques de l'Univers (Kavli IPMU) de l'Université de Tokyo, et l'Institut Max Planck d'Astrophysique (MPA), rapporte un indice alléchant de nouvelle physique - avec un niveau de confiance de 99,2 pour cent - qui viole la symétrie de parité. Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Lettres d'examen physique le 23 novembre 2020 ; l'article a été sélectionné comme "Suggestion des éditeurs, " jugé important par les rédacteurs de la revue, intéressant, et bien écrit.

L'indice d'une violation de la symétrie de parité a été trouvé dans le rayonnement de fond de micro-ondes cosmique, la lumière résiduelle du Big Bang. La clé est la lumière polarisée du fond diffus cosmologique. La lumière est une onde électromagnétique qui se propage. Lorsqu'il s'agit d'ondes oscillant dans une direction privilégiée, les physiciens l'appellent « polarisé ». La polarisation se produit lorsque la lumière est diffusée. Lumière du soleil, par exemple, se compose d'ondes avec toutes les directions d'oscillation possibles; Donc, il n'est pas polarisé. La lumière d'un arc-en-ciel, pendant ce temps, est polarisé parce que la lumière du soleil est diffusée par les gouttelettes d'eau dans l'atmosphère. De la même manière, la lumière du fond diffus cosmologique s'est initialement polarisée lorsqu'elle est diffusée par les 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 diffus cosmologique avec la matière noire ou l'énergie noire pourrait faire tourner le plan de polarisation d'un angle (figure).

"Si la matière noire ou l'énergie noire interagissent avec la lumière du fond diffus cosmologique d'une manière qui viole la symétrie de parité, nous pouvons trouver sa signature dans les données de polarisation, " précise Yuto Minami, un post-doctorant à l'IPNS, KEK.

Pour mesurer l'angle de rotation , les scientifiques avaient besoin de détecteurs sensibles à la polarisation, comme celles embarquées à bord du 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 semble avoir subi une rotation artificielle, créer un faux signal. Autrefois, les incertitudes sur la rotation artificielle introduites par les détecteurs eux-mêmes limitaient la précision de la 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, " dit Minami. " Avec cette méthode, nous avons atteint une précision deux fois supérieure à celle du travail précédent, et sont enfin capables de mesurer β." La distance parcourue par la lumière de la poussière dans la Voie lactée est beaucoup plus courte que celle du fond diffus cosmologique. Cela signifie que l'émission de poussière n'est pas affectée par la matière noire ou l'énergie noire, c'est-à-dire que β n'est présent qu'à la lumière du fond diffus cosmologique, tandis que la rotation artificielle affecte les deux. La différence de l'angle de polarisation mesuré entre les deux sources lumineuses peut ainsi être utilisée pour mesurer .

L'équipe de recherche a appliqué la nouvelle méthode pour mesurer β 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 de la nouvelle physique, une signification statistique beaucoup plus grande, ou un niveau de confiance de 99,99995%, est requis. Eiichiro Komatsu, directeur à 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 d'une nouvelle physique; une signification statistique plus élevée est nécessaire pour confirmer ce signal. Mais nous sommes ravis parce que notre nouvelle méthode nous a finalement permis de faire cette mesure" impossible ", ce 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 diffus cosmologique, tels que Simons Array et LiteBIRD, dans lequel la KEK et la Kavli IPMU sont impliquées.