Was steckt hinter den Daten aus dem frühen Universum? Hinweise auf neue Physik mehren sich
In den letzten Jahren wurde in den Polarisationsdaten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds aus den Weltraummissionen WMAP und Planck ein spannender Hinweis auf neue Physik gefunden. Die sogenannte „kosmische Doppelbrechung” bricht die Paritätssymmetrie, allerdings wurde die Gültigkeit des Ergebnisses in Frage gestellt, da die Analysemethode von der Modellierung der galaktischen Staubemission abhängt. Nun gewinnt die kosmologische Interpretation des Signals an Überzeugungskraft, da Forschende am MPA in den neuesten Daten des Atacama Cosmology Telescope einen vergleichbaren Effekt gefunden haben, ohne sich auf galaktische Emissionen zu stützen. Sollten weitere unabhängige Beobachtungen dieses Ergebnis als echtes kosmologisches Signal bestätigen, hätte dies tiefgreifende Auswirkungen auf die fundamentalen Gesetze der Physik und würde helfen, die mysteriöse Natur der Dunklen Materie und der Dunklen Energie besser zu verstehen.
Über die genaue physikalische Natur von dunkler Energie und dunkler Materie ist bisher wenig bekannt. Die Untersuchung der Paritätssymmetrie – der Symmetrie der Gesetze der Physik unter einer Inversion der Raumkoordinaten – kann neue Einblicke in dieses Rätsel liefern. Im Standardmodell der Elementarteilchen und Felder ist die Verletzung der Paritätssymmetrie auf die schwachen Wechselwirkungen im atomaren Maßstab begrenzt. Daher werden Beobachtungen der Paritätsverletzung auf kosmischen Skalen Modelle der dunklen Materie und der dunklen Energie stark einschränken.
Einige Theorien sagen voraus, dass Dunkle Materie und/oder Dunkle Energie aus einem Paritäts-verletzenden Teilchen bestehen könnten. Axionen wären ein Paradebeispiel dafür. In Verbindung mit dem Standard-Elektromagnetismus würde dieses neue Teilchen die Ebene der linearen Polarisation elektromagnetischer Wellen drehen, während diese sich durch den Raum ausbreiten. Auch wenn dieser Effekt gering ist, würde er sich mit der Zeit akkumulieren und möglicherweise in der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB) – dem Nachglühen des frühen Universums – sichtbar werden. Insbesondere die „kosmische Doppelbrechung” hätte einen deutlichen Einfluss auf die Polarisation der CMB, da sie das beobachtete Signal im Vergleich zur Standardvorhersage gedreht erscheinen lassen würde (siehe Abbildung 1).
Die Verwendung der kosmischen Doppelbrechung als Sonde für neue Teilchen ist keine neue Idee. Sie wurde ursprünglich Ende der 1990er Jahre vorgeschlagen. Ihre praktische Umsetzung wurde jedoch durch die unzureichende Kalibrierung der CMB-Experimente stark eingeschränkt. Wenn die Ausrichtung der polarisationsempfindlichen Detektoren relativ zum Himmel ungenau bekannt ist, erscheinen die Polarisationsmessungen künstlich gedreht, wodurch ein falsches Signal entsteht, das die kosmische Doppelbrechung überdeckt.
In den letzten Jahren hat die Suche nach kosmischer Doppelbrechung wieder an Dynamik gewonnen, nachdem ein Team internationaler Wissenschaftler unter der Leitung von Eiichiro Komatsu vom MPA spannende Hinweise auf ein solches Signal in den CMB-Polarisationsdaten gefunden hat, die von der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) der NASA und der Planck-Weltraummission der ESA gemessen wurden. Diese Reihe von Arbeiten (die bereits 2020 und 2022 vorgestellt wurde) berichtet über einen Doppelbrechungswinkel von β=0,34°±0,09°, der durch eine Analysetechnik ermittelt wurde, die die Ausrichtung der Detektoren anhand der polarisierten Emission von galaktischen Staubwolken kalibriert. Obwohl dieses spannende Ergebnis aufgrund seiner Abhängigkeit von der Modellierung des galaktischen Staubs weiterhin kritisch geprüft wird, hat es die wissenschaftliche Gemeinschaft dazu inspiriert, in anderen CMB-Experimenten nach vergleichbaren Rotationen zu suchen.
Das Atacama Cosmology Telescope (ACT; Abbildung 2) war das erste bodengestützte Experiment, das einen unabhängigen Test lieferte. Im März letzten Jahres veröffentlichte die ACT-Kollaboration die Polarisationsdaten, die vom hochmodernen ACT-Empfänger bei Frequenzen von 90, 150 und 220 GHz aufgenommen wurden, in der sogenannten Datenveröffentlichung 6 (DR6). Im Vergleich zu früheren Datensätzen hat ACT DR6 eine etwa dreimal bessere Empfindlichkeit und eine fünfmal bessere räumliche Auflösung als Planck.
In einer erneuten Analyse von ACT DR6 untersuchten Patricia Diego Palazuelos und Eiichiro Komatsu den Einfluss instrumenteller Systematiken auf die Messung der kosmischen Doppelbrechung, indem sie das Wissen über die Teleskop-Optik einbezogen, um so die instrumentellen und kosmologischen Komponenten der beobachteten Rotation zu trennen. Diese Analyse baut auf früheren Bemühungen des ACT-Teams auf, die Rotation der durch die Optik des Teleskops erzeugten Polarisation des einfallenden Lichts zu modellieren und zu bestimmen. Unter Verwendung der Bayes'schen Statistik zur Marginalisierung der Unsicherheiten im Optikmodell finden sie β=0,215°±0,074° mit einem Konfidenzniveau von 99,6 %.
Obwohl in den ACT-Daten möglicherweise noch systematische Fehler vorhanden sind, die nicht verstanden werden und keine eindeutigen kosmologischen Schlussfolgerungen zulassen, ist es doch vielversprechend, dass unabhängige Datensätze und Analysen mit unterschiedlichen Methoden zu denselben Vorzeichen und vergleichbaren Größenordnungen für β geführt haben (Abbildung 3).
Ein endgültiger Beweis für die kosmische Doppelbrechung erfordert jedoch eine unabhängige Bestätigung durch Experimente wie BICEP3, CLASS und das Simons Observatory. Im Rahmen dieser Experimente werden künstliche Polarisationsquellen entwickelt, um die Ausrichtung ihrer polarisationsempfindlichen Detektoren zu kalibrieren. Sobald diese Kalibrierungsverfahren vollständig entwickelt und optimiert sind, werden sie eine zuverlässige Messung der kosmischen Doppelbrechung ermöglichen, ohne dass man sich auf Modelle der Optik oder der galaktischen Polarisation stützen muss. Die Entdeckung der kosmischen Doppelbrechung ist ein klares Zeichen für eine neue Physik und wird revolutionäre Auswirkungen auf die Kosmologie und die Grundlagenphysik haben.
