Usando dados do Planck da radiação cósmica de fundo em microondas, uma equipe internacional de pesquisadores observou uma sugestão de nova física. A equipe desenvolveu um novo método para medir o ângulo de polarização da luz antiga, calibrando-a com a emissão de poeira de nossa Via Láctea. Embora o sinal não seja detectado com precisão suficiente para tirar conclusões definitivas, pode sugerir que a matéria escura ou a energia escura causa uma violação da chamada “simetria de paridade”.
Acredita-se que as leis da física que governam o universo não mudam quando são viradas em um espelho. Por exemplo, o eletromagnetismo funciona da mesma forma, independentemente de você estar no sistema original ou em um sistema espelhado no qual todas as coordenadas espaciais foram invertidas. Se essa simetria, chamada de “paridade”, for violada, pode ser a chave para a compreensão da natureza indescritível da matéria escura e da energia escura, que ocupam 25 e 70 por cento do orçamento de energia do universo hoje, respectivamente. Embora ambos escuros, esses dois componentes têm efeitos opostos na evolução do universo: a matéria escura atrai, enquanto a energia escura faz com que o universo se expanda cada vez mais rápido.
Um novo estudo, incluindo pesquisadores do Instituto de Estudos de Partículas e Nucleares (IPNS) da Organização de Pesquisa do Acelerador de Alta Energia (KEK), o Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU) da Universidade de Tóquio, e o Instituto Max Planck de Astrofísica (MPA), relata uma sugestão tentadora de nova física – com nível de confiança de 99,2% – que viola a simetria de paridade. Suas descobertas foram publicadas na revista Physical Review Letters em 23 de novembro de 2020; o artigo foi selecionado como a “Sugestão dos Editores”, considerado pelos editores da revista como importante, interessante e bem escrito.
A sugestão de uma violação da simetria de paridade foi encontrada na radiação cósmica de fundo em micro-ondas, a luz remanescente do Big Bang. A chave é a luz polarizada da radiação cósmica de fundo. A luz é uma onda eletromagnética em propagação. Quando consiste em ondas oscilando em uma direção preferida, os físicos o chamam de “polarizado”. A polarização surge quando a luz é espalhada. A luz solar, por exemplo, consiste em ondas com todas as direções oscilantes possíveis; portanto, não é polarizado. A luz do arco-íris, entretanto, é polarizada porque a luz do sol é espalhada por gotículas de água na atmosfera. Da mesma forma, a luz da radiação cósmica de fundo inicialmente se polarizou quando espalhada por elétrons 400.000 anos após o Big Bang. Como essa luz viajou pelo universo por 13,8 bilhões de anos, a interação da radiação cósmica de fundo com matéria escura ou energia escura pode fazer com que o plano de polarização gire em um ângulo Β (Figura).
“Se a matéria escura ou energia escura interagir com a luz do fundo de micro-ondas cósmico de uma forma que viole a simetria de paridade, podemos encontrar sua assinatura nos dados de polarização”, aponta Yuto Minami, um pós-doutorado no IPNS, KEK.
Para medir o ângulo de rotação Β, os cientistas precisavam de detectores sensíveis à polarização, como os a bordo do satélite Planck da Agência Espacial Europeia (ESA). E eles precisavam saber como os detectores sensíveis à polarização são orientados em relação ao céu. Se esta informação não fosse conhecida com precisão suficiente, o plano de polarização medido pareceria girado artificialmente, criando um sinal falso. No passado, as incertezas sobre a rotação artificial introduzida pelos próprios detectores limitavam a precisão da medição do ângulo de polarização cósmica Β.
“Desenvolvemos um novo método para determinar a rotação artificial usando a luz polarizada emitida pela poeira em nossa Via Láctea”, disse Minami. “Com este método, alcançamos uma precisão que é o dobro do trabalho anterior e finalmente podemos medir Β.” A distância percorrida pela luz da poeira na Via Láctea é muito menor do que a radiação cósmica de fundo. Isso significa que a emissão de poeira não é afetada pela matéria escura ou energia escura, ou seja, Β está presente apenas na luz do fundo de micro-ondas cósmico, enquanto a rotação artificial afeta ambos. A diferença no ângulo de polarização medido entre as duas fontes de luz pode, portanto, ser usada para medir Β.
A equipe de pesquisa aplicou o novo método para medir Β a partir dos dados de polarização obtidos pelo satélite Planck. Eles encontraram uma sugestão de violação da simetria de paridade com nível de confiança de 99,2 por cento. Para reivindicar uma descoberta de uma nova física, é necessária uma significância estatística muito maior, ou um nível de confiança de 99,99995%. Eiichiro Komatsu, diretor do MPA e principal investigador do Kavli IPMU, disse: “Está claro que ainda não encontramos evidências definitivas para a nova física; é necessária uma significância estatística maior para confirmar este sinal. Mas estamos entusiasmados porque nosso novo método finalmente nos permitiu fazer essa medição ‘impossível’, que pode apontar para uma nova física.”
Para confirmar esse sinal, o novo método pode ser aplicado a qualquer um dos experimentos existentes – e futuros – que medem a polarização da radiação cósmica de fundo, como Simons Array e LiteBIRD, nos quais KEK e Kavli IPMU estão envolvidos.
Publicado em 27/11/2020 10h05
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