Gợi ý về vật lý mới trong bức xạ bị phân cực từ vũ trụ sớm
Sử dụng dữ liệu Planck từ bức xạ nền vi sóng vũ trụ, một nhóm nghiên cứu quốc tế đã quan sát được một gợi ý về vật lý mới. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới để đo đạc góc phân cực của một tia sáng cổ đại bằng việc kiểm định bụi phát ra từ dải Ngân hà của chúng ta. Dù độ chính xác trong việc dò tín hiệu này không đủ để rút ra các kết luận rõ ràng nhưng nó vẫn có thể đề xuất vấn đề: vật chất tối hoặc năng lượng tối gây ra vi phạm của “đối xứng chẵn lẻ”.
Khi ánh sáng của bức xạ nền vi sóng vũ trụ phát ra 13,8 tỉ năm trước (hình bên trái) di chuyển qua vũ trụ cho đến khi nó được quan sát từ trái đất (hình bên phải), hướng trong đó các sóng điện từ dao động (đường màu cam) bị quay bằng một góc β. Sự quay này có thể là do vật vất tối hoặc năng lượng tối tương tác với ánh sáng của phông vi sóng vũ trụ, vốn làm thay đổi các mẫu hình của phân cực (những đường màu đen bên trong các hình ảnh). Các vùng màu đỏ và xanh lục trong các hình ảnh này lần lượt biểu thị các vùng nóng và lạnh của phông vi sóng vũ trụ. Nguồn: Y. Minami / KEK
Các quy luật vật lý chi phối vũ trụ được nghĩ là không thay đổi khi đảo ngược quanh một cái gương. Ví dụ, điện từ trường hoạt động như thường bất kể liệu có ở trong hệ nguyên bản hay trong hệ gương, nơi tất cả các hệ tọa độ không gian đều bị đảo ngược. Nếu sự đối xứng chẵn lẻ này bị vi phạm, nó có thể đóng vai trò quan trọng đểh iểu về bản chất khó nắm bắt của vật chất tối và năng lượng tối, vốn lần lượt chiếm 25% và 75% nguồn năng lượng của vũ trụ ngày nay. Cả hai thành phần này đều có ảnh hưởng trái ngược với sự tiến hóa của vũ trụ: vật chất tối làm vũ trụ co vào trong khi năng lượng tối lại là nguyên nhân làm vũ trụ dãn nở nhanh hơn.
Một nghiên cứu mới do các nhà nghiên cứu Viện nghiên cứu hạt và hạt nhân (IPNS) tại Tổ chức nghiên cứu máy gia tốc năng lượng cao (KEK), Viện vật lý và toán về vũ trụ Kavli (Kavli IPMU) của trường đại học Tokyo và Viện Vật lý thiên văn Max Planck (MPA) thực hiện đã báo cáo về một gợi ý hấp dẫn về vật lý mới – với độ tin cậy lên tới 99,2% – với đối xứng chẵn lẻ bị vi phạm. Phát hiện của họ được xuất bản trong bài báo “New Extraction of the Cosmic Birefringence from the Planck 2018 Polarization Data” trên Physical Review Letters. Bài báo được lựa chọn trong mụa “Đề xuất của các biên tập viên” do được đánh giá là quan trọng, thú vị và được viết một cách xuất sắc.
Gợi ý về một vi phạm đối xứng chẵn lẻ đã được tìm thấy trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ, ánh sáng còn lại của Big Bang. Vấn đề mấu chốt chính là ở ánh sáng bị phân cực của phông vi sóng vũ trụ. Ánh sáng là một dạng lan truyền sóng điện từ. Khi nó bao gồm các sóng dao động theo một hướng ưu tiên, các nhà vật lý gọi là “phân cực”. Sự phân cực này tăng lên khi ánh sáng bị tán xạ. Ví dụ, ánh sáng mặt trời có các sóng với mọi hướng dao động có thể, tuy nhiên lại không phân cực. Ánh sáng của một cầu vồng trong khi đó lại bị phân cực bởi ánh sáng mặt trời bị tán xạ qua những giọt nước trong khí quyển. Tương tự, ánh sáng của bức xạ nền vi sóng vũ trụ lúc ban đầu trở nên phân cực khi các electron bị tán xạ ở thời điểm 400.000 năm sau Big Bang. Vì ánh sáng này di chuyển qua vũ trụ trong 13,8 tỉ năm, tương tác của phông vi sóng vũ trụ với vật chất tối hoặc năng lượng tối có thể là nguyên nhân khiên mức phân cực quay bằng một góc β.
“Nếu vật chất tối hoặc năng lượng tối tương tác với ánh sáng của phông vi sóng vũ trụ theo một cách nào đó khiến vi phạm đối xứng chẵn lẻ, chúng ta có thể tìm thấy dấu hiệu của nó trong dữ liệu phân cực này”, Yuto Minami, một postdoct tại IPNS, KEK, nói.
Để đo đạc góc β quay, các nhà khoa học cần các máy dò phân cực siêu nhạy như những thiết bị tích hợp trong vệ tinh Planck của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA). Và họ cần biết cách các máy dò phân cực siêu nhạy đã định hướng có tương quan với bầu trời. Nếu thông tin này không được biế rõ với độ chính xác thích đáng, mặt bằng phân cực có thể đo được này có thể xuất hiện để quay theo một cách nhân tạo, tạo ra một dấu hiệu giả. Trong quá khứ, những bất định trong sự quay nhân tạo do các máy dò tạo ra cũng làm giới hạn độ chính xác trong đo đạc của góc β phân cực vũ trụ.
“Chúng tôi phát triển một phương pháp mới để xác định sự quay nhân tạo bằng việc sử dụng ánh sáng phân cực do bụi trong Ngân hà phát xạ”, Minami nói. “Với phương pháp này, chúng tôi đã đạt được độ chính xác gấp hai lần so với công trình trước đây, và cuối cùng có khả năng đo được góc β”. Khoảng cách di chuyển của ánh sáng từ bụi bên trong dải Ngân hà ngắn hơn nhiều so với phông vi sóng vũ trụ. Điều đó nghĩa là việc phát ra bụi không bị vật chất tối hoặc năng lượng tối ảnh hưởng, ví dụ như thế. Góc β không chỉ thể hiện ánh sáng của phông vi sóng vũ trụ trong khi sự quay nhân tạo ảnh hưởng cả hai. Sự khác biệt trong góc phân cực được đo giữa cả hai nguồn ánh sáng có thể dùng để đo góc β.
Nhóm nghiên cứu ứng dụng phương pháp mới này để đo góc β từ dữ liệu phân cực của vệ tinh Planck. Họ tìm thấy một gợi ý cho vi phạm đối xứng chẵn lẻ với mức độ tin cậy 99,2%. Để tuyên bố một khám phá về vật lý mới, cần một kết quả có độ tin cậy ở mức 99,99995% hoặc kết quả có ý nghĩa về mặt thống kê cao hơn. Eiichiro Komatsu, giám đốc tại MPA và nhà nghiên cứu chính tại Kavli IPMU, nói: “Rõ ràng là chúng tôi không tìm thấy bằng chứng dứt khoát cho vật lý mới; cần ý nghĩa thống kê cao hơn để xác nhận dấu hiệu này. Nhưng chúng tôi cũng rất phấn khích bởi phương pháp của chúng tôi cho phép chúng tôi tạo ra một phép đo đạc tưởng chừng ‘không thể’, vốn có thể chỉ ra một dạng vật lý mới”.
Để xác nhận dấu hiệu này, phương pháp mới có thể được ứng dụng cho bất kỳ thực nghiệm đo lường độ phân cực phông vi sóng vũ trụ nào hiện có – và cả tương lai – như Simons Array và LiteBIRD mà cả KEK và Kavli IPMU đều tham gia.
Thanh Nhàn dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-11-hint-physics-polarized-early-universe.html
