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科学家在宇宙背景辐射中发现了奇怪的新物理学提示

离子 电子 微波辐射
发布:2020-12-01 14:15:44    

在所有已知的空间中,恒星和星系之间都散发出极其微弱的辉光,这是宇宙黎明时留下的遗物。这就是宇宙微波背景(CMB),它是在大爆炸之后大约380,000年冷却到足以使离子和电子结合成原子的过程中,穿过宇宙的第一束光。

但是现在,科学家们发现了CMB特有的东西。一种新的测量技术揭示了光线扭曲的迹象-可能是违反奇偶校验对称性的迹象,暗示了标准模型之外的物理现象。

根据物理学的标准模型,如果我们要翻转宇宙,就好像它是其自身的镜像,那么物理学定律应该成立。亚原子相互作用应该在镜像中发生的方式与在真实宇宙中发生的方式完全相同。这称为奇偶校验对称。

据我们到目前为止的测量,只有一种基本的相互作用打破了奇偶校验对称性。那是造成放射性衰变的亚原子粒子之间的弱相互作用。但是,找到另一个奇偶校验对称性破裂的地方可能会导致我们进入标准模型之外的新物理学。

还有两位物理学家-日本高能加速器研究组织的Yuto Minami;德国马克斯·普朗克天体物理研究所的小松荣一郎和日本的卡夫利宇宙物理与数学研究所-相信他们已经从CMB的极化角度找到了暗示。

当光被散射时会发生偏振,从而导致其波以一定方向传播。玻璃和水之类的反射性表面会使光偏振。您可能对偏光太阳镜很熟悉,偏光太阳镜旨在阻挡某些方向,以减少到达眼睛的光量。甚至大气中的水和颗粒也会使光散射和偏振。一个彩虹就是一个很好的例子。

大约前38万年,早期的宇宙是如此炽热和密集,以至于原子不存在。质子和电子像电离的等离子体一样飞来飞去,宇宙是不透明的,就像浓烟熏雾。只有当宇宙冷却到足以使这些质子和电子结合成中性气体氢原子时,空间才会变得清晰,从而使光子自由传播。当电离的等离子体转变为中性气体时,光子会从电子中散射出来,从而使CMB极化。CMB的两极分化可以告诉我们很多有关宇宙的知识。特别是如果它旋转了一个角度。

这个角度用β表示,它可能表明CMB与暗物质或暗能量相互作用,这是似乎在宇宙中占主导地位的神秘的内向和外向力,但我们无法直接检测到。

Minami解释说: “如果暗物质或暗能量以违反奇偶校验对称性的方式与宇宙微波背景光相互作用,我们可以在极化数据中找到其特征。”

确定β的问题在于我们用来检测CMB极化的技术。欧洲航天局的普朗克卫星配备了极化敏感探测器,该卫星于2018年发布了对CMB的最新观测结果。但是,除非您确切知道这些探测器相对于天空的方位,否则无法说出您所看到的实际上是β,还是探测器中看起来像β的旋转。

该团队的技术依赖于研究不同的偏振光源,并比较两者以提取虚假信号。Minami说: “我们开发了一种新方法,可以利用银河中尘埃发出的偏振光来确定人工旋转。” “使用这种方法,我们获得的精度是以前工作的两倍,并且最终能够测量β。”

银河系的辐射源比CMB要近得多,因此它们不受暗物质或暗能量的影响。因此,极化中的任何旋转都应仅是检测器中旋转的结果。CMB受β和人工旋转的影响-因此,如果从CMB观测值中减去在银河系源中观察到的人工旋转,则应该只保留β。研究小组使用此技术确定β为非零,确定性为99.2%。这似乎很高,但仍不足以宣称发现了新的物理学。为此,需要99.99995%的置信度。

但是这一发现肯定表明,CMB值得进一步研究。卡夫里宇宙物理与数学研究所的天体物理学家小松荣一郎说: “很明显,我们还没有找到新物理学的确切证据;要确认这一信号还需要更高的统计意义。”

“但是我们很兴奋,因为我们的新方法最终使我们能够进行这种'不可能'的测量,这可能指向新的物理学。”

该研究已发表在《物理评论快报》上。

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