O nouă metodă de calibrare a detectoarelor care măsoară polarizarea radiaţiei cosmice de fond de la bordul satelitului Planck a permis cercetătorilor să obţină indicaţii despre o posibilă violare a unei simetrii importante în fizică (simetria parităţii) care ar putea fi generată de materia sau energia întunecate.

Radiaţia cosmică de fond este cea mai veche radiaţie din Univers – cea care ne dă informaţii despre Univers aşa cum era la circa 380.000 de ani după Big Bang, atunci când radiaţia şi materia s-au separat. Studiul acestei radiaţii este extrem de important întrucât nu doar ne ajută să înţelegem cum a evoluat Universul şi cum arăta acesta în trecutul îndepărtat, dar şi cu ce este „umplut”. Adică această radiaţie propagându-se prin Univers poate interacţiona cu materia pe care o întâlneşte pe parcursul călătoriei şi această interacţiune poate să îşi lase amprenta asupra radiaţiei. Măsurând deci caracteristicile acestei radiaţii putem înţelege de exemplu proprietăţi ale materiei în Univers, nu doar materia vizibilă ci şi materia întunecată, dacă aceasta interacţionează cu radiaţia de fond.

Măsurarea radiaţiei de fond este la ora actuală făcută cu ajutorul instrumentelor la bordul sateliţilor în spaţiu, precum satelitul Planck, al agenţiei spaţiale Europene ESA. La bordul acestui satelit există detectoare capabile nu doar să măsoare această radiaţie ci şi proprietăţi deosebite ale acesteia, precum polarizarea radiaţiei, adică să verifice dacă există o direcţie privilegiată de vibraţie a undei electromagnetice. Polarizarea are loc atunci când radiaţia electromagnetică este împrăştiată de un mediu. Radiaţia de fond a luat naştere cu o anumită polarizare întrucât a fost împrăştiată de electroni. Polarizarea acestei radiaţii însă poate să se schimbe dacă radiaţia călătorind prin Univers interacţionează de exemplu cu materia întunecată, suferind o rotaţie cu un anumit unghi. Măsurarea acestui unghi însă este extrem de dificilă întrucât este nevoie ca detectoarele amplasate pe satelit să fie calibrate – adică să fie în stare să măsoare un unghi relativ la un sistem de referinţă legat de cosmos. Pentru a calibra aceasta măsurătoare a unghiului de rotaţie a polarizării, un grup de cercetători a dezvoltat o nouă metodă originală care realizează o calibrare de două ori mai precisă decât până în prezent. Practic, cercetătorii folosesc măsurători ale proprietăţilor radiaţiei emise de praful din galaxia noastră, care nu este afectată de materia întunecată sau energia întunecată întrucât distanţa parcursă până la satelitul Planck este mult prea mică.

Folosind aceasta calibrare, cercetătorii au reuşit să măsoare unghiul de rotaţie a polarizării radiaţiei de fond, publicând rezultatele într-un articol recomandat de Editor ca fiind unul dintre cele mai importante articole publicate în Physical Review Letters în noiembrie 2020.

Măsurătoarea a generat mult interes întrucât a generat o surpriză: au fost obţinute indicaţii cum că ar exista o violare a simetriei P – aşa-numita parity-symmetry, care e ca şi cum s-ar măsura un proces văzut însă în oglindă. În fizica pe care o cunoaştem doar interacţiunea nucleară slabă violează aceasta simetrie, în timp ce interacţiunea electromagnetică şi cea nucleară puternică nu. Ce ar putea genera aceasta violare a simetriei P în cazul măsurătorii polarizării fotonilor radiaţiei de fond? Chiar dacă rezultatul deocamdată nu este cel definitiv, întrucât semnificaţia statistică este insuficientă, cercetătorii încearcă să imagineze o sursă a acestui fenomen. S-ar putea ca acest fenomen să fie datorat interacţiunii fotonilor radiaţiei de fond cu materia întunecată sau, caz şi mai interesant, cu energia întunecată. Nu ştim din ce sunt compuse aceste două entităţi, însă din câte ştim la ora actuală ar fi predominante în Univers – în cantităţi mult mai mari decât materia normală, cea pe care o cunoaştem.

Importanţa acestui stidiu este metoda pusă la punct pentru calibrarea detectoarelor pentru realizarea unei măsurători de precizie; în viitor metoda va fi aplicată noilor date de măsurare a polarizării radiaţiei de fond şi atunci vom şti dacă într-adevăr simetria parităţii (P) este sau nu violată şi cât de mult; ceea ce, poatem ne va ajuta să sondăm Universul întunecat.

[Articol scris de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesor la Colegiului Naţional “Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe]