宇宙微波背景新发现：暗物质和暗能量可能会破坏“宇称”对称性！

利用普朗克卫星来自宇宙微波背景辐射的数据，一个国际研究小组观察到了一丝新的物理现象。该研究团队开发了一种新方法来测量古代光的偏振角，方法是用我们银河系释放的尘埃对其进行校准。虽然探测到的信号不够精确，无法得出明确的结论，但这可能表明暗物质或暗能量会破坏所谓的“宇称对称性”。一般认为，控制宇宙的物理定律在“镜像”中翻转时是不会改变的。

例如无论是在原始系统中，还是在所有空间坐标都已翻转的镜像系统中，电磁的原理都相同。如果这种被称为“宇称”的对称性遭到破坏，它可能是理解暗物质和暗能量难以捉摸本质的关键。目前，暗物质和暗能量分别占宇宙总能量的25%和70%。虽然这两个分量都是“暗”的，但它们对宇宙演化的影响却是相反：暗物质吸引，而暗能量导致宇宙膨胀得更快。包括来自高能加速器研究组织(KEK)粒子与核子研究所(IPNS)、东京大学卡夫利宇宙物理与数学研究所(Kavli IPMU)

及其马克斯·普朗克天体物理研究所(MPA)在内的一项新研究，报告了一种诱人的新物理学暗示（99.2%的置信度）这违反了宇称对称性，其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。在宇宙微波背景辐射（宇宙大爆炸的残余光）中发现了违背宇称对称性的暗示。关键是宇宙微波背景的偏振光，光是一种传播的电磁波。当光由沿首选方向振荡的波组成时，物理学家称之为“极化”。当光被散射时，就会产生偏振。例如，太阳光由具有所有可能的振荡方向的波组成，因此它不是偏振的。

与此同时，彩虹的光线是偏振的，因为太阳光被大气中的水滴散射。类似地，宇宙微波背景的光最初在宇宙大爆炸40万年后被电子散射时变得偏振。由于这种光在宇宙中传播了138亿年，宇宙微波背景与暗物质或暗能量的相互作用，可能导致偏振平面旋转β角（如图1）。KEK IPNS博士后研究员Yuto Minami指出：如果暗物质或暗能量以违反宇称对称性的方式与宇宙微波背景光相互作用，我们可以在偏振数据中找到它的特征。

为了测量旋转角β，科学家们需要偏振敏感探测器，比如欧洲航天局（ESA）普朗克卫星上的探测器，需要知道偏振敏感型探测器相对于天空是如何定位的。如果这一信息不够精确，测量的偏振平面将看起来像是人为旋转的，从而产生假信号。在过去，探测器本身引入的人为旋转不确定性限制了宇宙偏振角β的测量精度。研究开发了一种新的方法，利用银河系中尘埃发出的偏振光来确定人工旋转。有了这种方法，测量精度比以前的提高了一倍，也终于能够测量出β角了。

99.2%的置信度

银河系内尘埃发出的光，传播距离比宇宙微波背景的距离短得多。这意味着尘埃的发射不受暗物质或暗能量的影响，即β角只存在于宇宙微波背景的光线中，而人为旋转对两者都有影响。因此，两个光源之间测量的偏振角的差异可以用来测量β角。研究小组应用这种新方法从普朗克卫星获取的偏振数据中测量β角，在99.2%的置信度下发现了违反奇偶对称的线索，但要宣称发现了新的物理学，需要有更大的统计学意义，或者说需要达到99.99995%的置信度。

MPA主任、Kavli IPMU首席研究员小松荣一郎(Eiichiro Komatsu)说：很明显，我们还没有找到新物理学的确凿证据；需要更高的统计学意义来证实这一信号。但我们很兴奋，因为新方法终于让我们能够让这种‘不可能’的测量变得‘可能’，这可能指向新的物理学。为了确认这一信号，新方法可以应用于任何现有和未来测量宇宙微波背景偏振的实验，如西蒙斯阵列和LiteBIRD，其中包括KEK和Kavli IPMU。

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博科园｜研究/来自：卡夫里基金会

参考期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.221301

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