В поляризации реликтового излучения нашли следы нарушения четности

Физики сообщили об измерениях угла космического двулучепреломления с исключением статистической погрешности на основании данных о поляризации реликтового излучения, которые выпустила космическая обсерватория Planck в 2018 году. Сам угол оказался равен 0,35 ± 0,14 градуса, что исключает ноль со статистической точностью 2,4σ, а отличие этого угла от нуля — потенциальная мера взаимодействия электромагнитного излучения с темной материей и темной энергией. Избавиться от вклада систематической погрешности в результат ученым удалось благодаря одновременному измерению поляризации как реликтового излучения, так и микроволнового излучения от объектов в нашей галактике. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters, препринт работы доступен на сайте arXiv.org.

Считается, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Согласно этой теории, ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с крайне высокой плотностью энергии, давлением и температурой. В результате охлаждения и расширения в ней формировались элементарные частицы и механизмы их взаимодействия. Первыми образовались бозоны, отвечающие за электрослабое взаимодействие, за ними последовательно появились кварки, адроны и лептоны. Первые три минуты жизни Вселенной завершились образованием звездного вещества в процессе первичного нуклеосинтеза. В течение дальнейших 380000 лет Вселенная постепенно расширялась и охлаждалась, после чего стала достаточно холодной для рекомбинации водорода. В ходе этого процесса материя перешла из состояния плазмы, которая непрозрачна для большей части электромагнитного излучения, в газообразное состояние. Именно тепловое излучение той эпохи мы можем сейчас наблюдать в виде реликтового излучения, которое сместилось в микроволновый спектр за счет расширения Вселенной. Во многом именно благодаря наблюдениям за реликтовым излучением на экспериментах, подобных космической обсерватории Planck, у физиков и сформировались существующие представления о возрасте и процессе эволюции Вселенной.

Стандартной космологической моделью, которая бы описывала эти процессы, можно назвать ΛCDM-модель (сокращение от Lambda-Cold Dark Matter). Согласно ей Вселенная заполнена не только наблюдаемой барионной материей, но и темной энергией вместе с холодной темной материей, причем доля последних в общей массе-энергии наблюдаемой Вселенной составляет 95 процентов. Темная материя в ней — это гипотетическая форма материи, объясняющая эффекты скрытой массы, а темная энергия — форма энергии, которая приводит к отталкиванию массивных тел и позволила бы объяснить ускоренное расширение вселенной. Для потенциального объяснения природы темной материи и темной энергии необходимо выйти за пределы Стандартной модели в рамках физики элементарных частиц, ведь она не предсказывает существования темных составляющих Вселенной. К настоящему моменту убедительные следы Новой физики удалось найти в слабом взаимодействии, где они проявляются в нарушении симметрий, или, иначе говоря, — четностей физических величин. Поэтому естественно ожидать, что темная материя или темная энергия как проявление физики за пределами Стандартной модели также могла бы давать о себе знать через нарушение четности.

Реликтовое излучение, в свою очередь, как раз чувствительно к нарушению четности: взаимодействие его фотонов с темной материей или энергией в виде аксионов может приводить к изменению направления поляризации фотонов. Этот эффект называется космическим двулучепреломлением, и он численно характеризуется одноименным углом β. Но чтобы измерить этот угол, необходимо с высокой точностью знать поляризационные углы детекторов обсерватории, которая наблюдает за картиной реликтового излучения. Ведь угол ошибки калибровки α в наблюдениях проявляет себя точно так же, как и искомый угол β, поэтому необходимо независимое измерение α и β, которое до этого момента не удавалось реализовать. Ранее мы уже рассказывали о том, как в старых данных Planck не удалось найти аномалий в распределениях температуры и поляризации реликтового излучения. В этих же данных не удалось найти указаний на ненулевой β, однако причиной этого могла быть именно систематическая ошибка измерений α: она тогда составила 0,28 градуса, в то время как α + β было равно 0,31 градуса.

Теперь же Юто Минами (Yuto Minami) из KEK совместно с Эйитиро Комацу (Eiichiro Komatsu) из Института астрофизики Общества Макса Планка нашли способ исключить из измерений β систематическую ошибку, связанную с фиксацией α. Для этого они проанализировали 4 карты поляризации для различных частот микроволнового излучения (100, 143, 217 и 353 гигагерц), выпущенные космической лабораторией Planck в составе третьего релиза данных в 2018 году. При этом помимо поляризации реликтового излучения ученые изучали и поляризацию так называемого Галактического излучения переднего плана (Galactic foreground emission), которое исходит от космической пыли в пределах нашей галактики. Источники последнего находятся на небольших относительно масштабов Вселенной расстояниях от Земли, поэтому в ее зарегистрированную поляризацию не могут вносить вклад взаимодействия с темной материей или энергией, но на нее неизбежно влияет угол ошибки калибровки α. На реликтовое излучение, в свою очередь, влияет как положение детектора и связанный с ним α, так и угол космического двулучепреломления β.

Таким образом, из наблюдений за Галактическим излучением переднего плана физики получали значение угла α для каждой из серии измерений, и со знанием этих параметров вычисляли общий β из карт поляризации реликтового излучения. В результате β оказался равен 0,35 ± 0,14 градуса, что исключает ноль из возможного диапазона значений со статистической точностью в 2,4σ (β не ноль с доверительной вероятностью в 99,2 процента). Углы α совпали с нулем в пределах погрешности за исключением случая измерений на частоте 100 гигагерц: там он оказался равен −0,28 ± 0,13 градуса. Авторы объяснили это тем, что на более низких частотах в измерения могла вносить вклад поляризация тормозного излучения. Чтобы убедиться в обратном, ученые исключили из расчетов эти данные и заново посчитали искомый угол, но статистическая точность измерений при этом только увеличилась. Кроме того, исследователи повторили ранее проделанные измерения без учета связи α и β, и получили тот же результат, что и их коллеги в 2016 году на основании первого и второго релиза данных Planck.

Все это, по мнению авторов, указывает на достоверность полученных результатов, и открывает новые возможности для исследования взаимодействия реликтовых фотонов с полями аксионной темной материи или энергии. Эти же методы могут использоваться для ограничения существующих моделей темных составляющих нашей Вселенной. По словам ученых, важно и увеличение статистической точности полученных результатов с помощью использования выдвинутых методов обработки данных в существующих и будущих экспериментах по изучению поляризации реликтового излучения.

Поляризация реликтового излучения, разумеется, может много рассказать и про барионную материю: ранее по слабому гравитационному линзированию колебаний его поляризации физики измерили массу скоплений галактик. А по флуктуациям реликтового излучения также можно отслеживать и еще более тонкие явления, к примеру, реликтовые гравитационные волны.

Никита Козырев