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편광은 암흑물질 혹은 암흑에너지의 패리티가 깨지는 것을 암시.

배경 복사선에서 새로운 물리학의 표시?
편광은 암흑물질 또는 암흑에너지와의 패리티가 깨지는 상호 작용을 나타낼 수 있다.

미묘한 회전 :
암흑 물질과 에너지는 기본 물리 법칙을 위반할 수 있다.
연구자들은 최근 우주 배경 복사선에서 이것이 가능한 징후를 발견했다.
이러한 우주적으로 오래된 빛의 편광 방향은 표준값에서 약간 벗어난다.
이것은 암흑 물질 또는 암흑 에너지와의 상호 작용이 패리티의 근본적인 대칭을 위반한다는 것을 나타낼 수 있다. 

▲ 암흑물질 또는 암흑에너지와의 상호 작용이 패리티 대칭을 위반하는 경우, 우주 배경 복사의 편광 방향을 각도 β만큼 변경해야 한다. © Y. Minami / KEK

현재의 이론에 따르면 우리 우주에는 물리적 힘에 근본적인 대칭이 지배하고 있다.
입자 나 시스템이 공간적으로 반사되면 규칙은 유효하다. 반물질의 영역에서도 모든 물리법칙은 어떤 반대 기호가 있더라도 계속 적용된다.
패리티라고도 알려진 이 근본적인 대칭이 깨지면 우리의 물리적 세계관이 불완전하고 표준 모델을 넘어서는 인식되지 않는 과정, 하나의 새로운 물리가 있을 것이다.

우주 배경 복사선의 흔적

 

일본 고에너지 가속기 연구기관의 유토 미나미(Yuto Minami)와 막스 플랑크(Max Planck) 천체 물리학 연구소의 에이치로 코마추(Eiichiro Komatsu)는 이러한 대칭 파괴의 첫 징후를 발견했다.
연구를 위해 그들은 우주 배경 복사선의 편광을 조사했다. 이 복사선은 빅뱅 직후 방출됐으며 우주의 기본 구성과 사건이 과거에 어떤 상호 작용을 했는지 흔적을 담고 있다.

이러한 상호 작용의 흔적은 또한 암흑 물질 및 암흑 에너지와의 상호 작용에 대한 미묘한 증거를 숨긴다. 그 성질은 완전히 알려지지 않은 우주 형성의 구성 요소다.
그러나 이 두 현상이 우리의 표준 모델을 뛰어넘는 물리학에 기반을 둔다면 패리티 대칭을 깰 수 있다. 그리고 이 흔적은 우주 배경 복사에서 발견되어야 한다.
연구진은 "이 복사선의 편광은 패리티를 위반하는 물리학에 민감하다"고 설명했다.

이 대칭 위반이 존재하는 경우, 우주 복굴절(cosmic birefringence/double refraction)로 알려진, 배경 복사의 선형 편광을 특정 각도 β만큼 회전시키는 효과가 나타나야 할 것이다.
"암흑 물질이나 암흑 에너지가 패리티 대칭을 위반하는 방식으로 우주 마이크로파 배경의 빛과 상호 작용한다면 편광 데이터에서 이 신호를 찾을 수 있다"고 미나미(Minami)는 말했다.

센서에서 나오는 것은 무엇이며 우주에서 나오는 것은 무엇일까?

문제는 편광각을 측정하기 위해서는 감지기가 하늘을 기준으로 어떻게 방향을 잡는지 정확히 알아야 한다는 것이다. 이것은 각도 측정에도 영향을 미치기 때문이다.
지금까지 최고의 배경 복사선 센서인 ESA의 플랑크(Plank) 위성을 정확하게 결정하기가 어려웠다. 그러나 Minami와 Komatsu가 최근 이러한 측정 관련 편차를 제한하는 방법을 찾았다.

▲ Plank 위성 Author:Photograph by Mike Peel (www.mikepeel.net).

"우리 은하수에 있는 먼지로부터 편광된 빛을 사용해 인공 회전을 결정하는 새로운 방법을 개발했다"고 Minami는 설명했다.
측정된 회전각이 센서에서 나온다면, 은하수 내의 근거리 편차는 먼 우주 배경 복사의 편차만큼 커야 한다.
반면에 암흑 물질이나 암흑 에너지와의 상호 작용으로 인해 편광 방향이 회전하면 이 효과는 우주를 먼 길을 덮은 빛에서만 나타나야 한다.

▲ 세 위성의 해상도 차이. COBE, WMAP 및 Planck에 의한 배경 방사선 측정 결과 비교 Author:NASA/JPL-Caltech/ESA

발견된 편차의 첫 징후

실제로 연구원들은 0.35도인 회전각도 β값을 결정했다.
Minami와 Komatsu는 "이것은 99.2%의 신뢰도로 β=0의 귀무가설(null hypothesis, 歸無假說;설정한 가설이 진실할 확률이 극히 적어 처음부터 버릴 것이 예상되는 가설)을 배제한다"고 말했다.
이것은 암흑 물질 및 암흑 에너지와의 상호작용이 패리티 대칭을 위반하고 새로운 물리학이 여기에서 작용하고 있다는 첫 번째 표시일 수 있다.

그러나 β및 센서 위치에 대한 측정 정확도가 이전 분석에서보다 두 배 높더라도 물리학에서 공식 발견에는 충분하지 않다. 99.99995% 또는 5시그마의 신뢰 수준이 필요하기 때문이다. 이제 결정된 값은 2.4시그마에만 충분하다.

“우리가 아직 새로운 물리학에 대한 확실한 증거를 찾지 못한 것은 분명하다. 신호를 확인하려면 더 높은 통계적 유의성이 필요하다”고 Komatsu는 언급했다. “그러나 우리가 실제로 새로운 물리학을 가리키는 새로운 방법으로 이 '불가능한' 측정을 수행할 수 있었던 것은 대단하다.”
연구원들은 이제 우주 배경 복사를 측정하기 위한 새로운 실험 및 센서와 결합된 방법이 필요한 결과를 정확하게 제공하기를 희망하고 있다.
(Physical Review Letters, 2020; doi : 10.1103 / PhysRevLett.125.221301)
출처 : Max Planck Institute for Astrophysics, Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, Tokyo

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