1、粒子宇宙学研究进展粒子宇宙学研究进展中科院高能所 张新民张新民Inflation+Dark Matter+Dark Energy1998年，SN发现暗能量；（邵逸夫奖，Nobel prize?!）2000年，Maxima,Boomerang 平坦宇宙；2003年，WMAP，SDSS，2dfGRS2004年,“Golden Sample”,SNLS2006年,WMAP32008年，WMAP5（2010年邵逸夫奖）2008年，年，Pamela,ATIC2009年，年，Fermi LAT2010年，年，WMAP7近年宇宙学研究重大进展及挑战近年宇宙学研究重大进展及挑战 73%：暗能量？23%：暗物质
2、？1)Dynamics of Inflation?2)Dark Energy?3)Dark Matter?4)Why no antimatter?我国基础研我国基础研究的一个机究的一个机遇！？遇！？上天，上天，入入地到南极地到南极路线图暗物质探测：近期：羊八井中期：小卫星，地下实验室长期：空间站建议：启动小卫星、地下实验室预研究暗能量探测：LAMOST,南极DOME近期：LAMOST中期：南极DOME A四米光学望远镜建议：启动南极DOME A四米光学望远镜预研究报告提纲报告提纲1）“两暗一黑三起源两暗一黑三起源”介绍介绍 2）WMAP今年得了邵逸夫奖今年得了邵逸夫奖WMAP7部分工作介绍部分
3、工作介绍-摘之国台严峻台长报告近期这个提法宣传的很多，中央，科学院各级领导肯定Comments:1)争议集中在争议集中在“生命起源生命起源”的定义的定义 （南极香山会议，（南极香山会议，王力帆与张新民商议应写个注释）王力帆与张新民商议应写个注释）2）发明地是高能所）发明地是高能所3）物理诠释）物理诠释(见张新民南昌会议报告）：见张新民南昌会议报告）：两暗（暗物质暗能量）：两暗（暗物质暗能量）：一样一样一黑：天文注重观测，一黑：天文注重观测，而物理注重理论如黑洞熵而物理注重理论如黑洞熵三起源：天文：三起源：天文：宇宙，天体，宇宙，天体，生命生命 物理：物理：宇宙，物质起源（宇宙，物质起源（why
4、 no antimatter?)质量起源质量起源（LHC,BES,electroweak,chiral symmetry breaking)2001年WMAP卫星升空 2003年公布一年观测数据Nothing is special Concordance ModelLarge Running;Small l Suppression;Tau too large 2006年公布三年观测数据Large Running;Small l Suppression;Tau normal;Dark Energy with Constant EOS,Perturbation;排除了 暴涨模型;2008年公布五年
5、观测数据+Time evolving EOS;CMB rotation angle (CPT&P Violation)2010年公布七年观测数据 410(23)sn Comments:1)WMAP 的贡献很像 上世纪九十年代LEP的贡献 LEP:粒子物理标准模型的精确检验 Nothing is special new!WMAP：宇宙学精确时代2）LEP-t Hooft,M.Veltman，Nobel Prize,理论计算，发散，重整；WMAP,邵逸夫奖=线性扰动理论 CosmoMC(Nobel prize?)3)粒子物理的标准模型，唯象上虽然很成功，但存在一些基本问题未解 对称性破缺，Higg
6、s?,flavor problem,CP origin?Big-Bang cosmology,唯象上成功（参数确定），但大的基本问题：暗物质粒子，暗能量物理本质，暴涨机制？,0,01 wwDifficulty with dark energy perturbationwhen w crosses-1-发散问题发散问题Similar to the non-renormalization without Higgs in the electroweak theoryHere,also need extra degree of freedom-Quintom field SM：量子场论，规范场 宇宙
7、学：扰动理论 国际上CosmoMC(光子，重子，暗物质扰动）+暗能量扰动 S.Weinberg t Hooft,M.Veltman:Higgs 理论的成功！但，Higgs not discovered,LHC?宇宙学参宇宙学参数数对应对应SM：粒子质：粒子质量，量，耦合常数等耦合常数等Primordial power spectrum:暗能量状态方程参数化暗能量状态方程参数化:暗能量模型：暗能量模型：用天文观测数据确定宇宙学参数用天文观测数据确定宇宙学参数-Global Fitting1）宇宙学常数：）宇宙学常数：w=-1；2）Quintessence：w-1；3）Phantom：w-1；4）
8、Quintom：w 越过越过-1zzwwzwDE1)(10II.天文观测数据天文观测数据：1）超新星（SN）2）微波背景辐射（CMB）3）大尺度结构（LSS）。III.数据拟和分析方法数据拟和分析方法：Monte Carlo Markov Chains上海超级计算机上海超级计算机修改的修改的CAMB/CosmoMC暗能量扰动新方法暗能量扰动新方法 B.Feng,X.Wang and X.Zhang,PLB607,35(2005)；G.B.Zhao,J.Q.Xia,M.Li,B.Feng&X.Zhang,PRD 72,123515(2005)。Astronomical Observations:
9、SNeIa:397 samples “constitution”CMB:WMAP7,BOOMERanG,CBI,VSA,ACBAR LSS:SDSS,2dFGRSGRB,Weak LensingWMAP7结果InflationDark energyCPTInflationPredictions:1.Flat Universe();2.and ,Current Status:1.,fit ok;2.about ;3.Less than .Inflation dynamics observed?n_s=1 disfavored by more than 3 sigmaDegeneracy amon
10、g n_s and w(z)6050:64:224NmNDetermining Cosmological Parameters with Latest Observational Data.Jun-Qing Xia,Hong Li,Gong-Bo Zhao,Xinmin Zhang Published in Phys.Rev.D78:083524,2008 (for WMAP5)实验证据实验证据：1998年，SN发现加速膨胀；1998年世界十大科技进展 2003年，WMAP，SDSS，精确宇宙学；2003年世界十大科技进展基本特征基本特征：3/1/03pwp注意：辐射注意：辐射 w=1/3,w
11、=1/3,物质物质 w=0w=0，由此直观上理解暗能量的负压性质十由此直观上理解暗能量的负压性质十 分困难；分困难；暗能量模型可由状态方程暗能量模型可由状态方程 w w 来来分类。分类。暗能量简介暗能量简介 1.负压负压 2.完全或者几乎不结团完全或者几乎不结团 暗能量理论模型简介暗能量理论模型简介 1 1）宇宙学常数（真空能）宇宙学常数（真空能）34(2*1 0V)e2）动力学场：动力学场：精质（精质（QuintessenceQuintessence，Phantom,Quintom Phantom,Quintom）1w 不同模型预言的不同模型预言的w w演化行为不一样演化行为不一样 暗能量是
12、暗能量是宇宙学常数？还是动力学的？宇宙学常数？还是动力学的？认识暗能量首要任务：认识暗能量首要任务：基于天文观测数据、开展整体分析、基于天文观测数据、开展整体分析、确定暗能量状态方程确定暗能量状态方程宇宙学常数问题！宇宙学常数问题！宇宙学常数还是动力学？宇宙学常数还是动力学？预言宇宙演化的不同行为：动力学场：宇宙中的“以太”1.精细结构常数改变：2.中微子质量改变：FQF443)()10(mev中微子与暗能量有关吗？1.CDM:2.QCDM:plQMmeVm23310 Xinmin Zhang et al,Ann Nelson et al 研究现状Gongbo Zhao and Xinmin
13、Zhange-Print:arXiv:0908.1568 WMAP7 E.Komatsu et al.e-Print:arXiv:1001.4538 1）十年研究取得的阶段性（与任何学科一样）重要成果：方法上的创新成果十年研究取得的阶段性（与任何学科一样）重要成果：方法上的创新成果(perturbation,PCA)；至今已排除了大量的理论模型；至今已排除了大量的理论模型；2)Cosmological constant is consistent with the data;3）quintom mildly favored，推动近年推动近年quintom暗能量理论发展暗能量理论发展4）但是目前
14、观测的精度还不够，）但是目前观测的精度还不够，推动新设备推动新设备我国暗能量探测可行性研究LAMOST我国暗能量探测可行性研究DOME ADOME ALSSTSNAP),(det/1.0awwCMOFw(z)=w0+wa*z/(1+z)CMB检验检验CPT对称性对称性(Note here the notation:G E,C B)Gravitational leptogenesis and its signatures in CMB.Bo Feng,Hong Li,Ming-zhe Li,Xin-min Zhang,Phys.Lett.B620:27-32,2005.当时没有数据，用模拟的数据
15、做研当时没有数据，用模拟的数据做研究究 特点：特点：Lorentz 破坏强度破坏强度 H 由于由于CMB 光子传播光子传播 1/H 观测效应观测效应 O(1)FRW violates Lorentz,FRW violates Lorentz,how to detect how to detect 相关论文1）Probing CPT Violation with CMB Polarization Measurements.Jun-Qing Xia,Hong Li,Xinmin Zhang,e-Print:arXiv:0908.18762）Testing CPT Symmetry with CMB
16、 Measurements:Update after WMAP5.Jun-Qing Xia,Hong Li,Gong-Bo Zhao,Xinmin Zhang,Astrophys.J.679:L61,2008 3）Testing CPT Symmetry with CMB Measurements.Jun-Qing Xia,Hong Li,Xiu-lian Wang,Xin-min Zhang,Astron.Astrophys.483:715-718,2008 4）Cosmological CPT violation,baryo/leptogenesis and CMB polarizatio
17、n.Mingzhe Li,Jun-Qing Xia,Hong Li,Xinmin Zhang,Phys.Lett.B651:357-362,2007 5）Searching for CPT Violation with Cosmic Microwave Background Data from WMAP and BOOMERANG.Bo Feng,Mingzhe Li,Jun-Qing Xia,Xuelei Chen,Xinmin Zhang Phys.Rev.Lett.96:221302,2006.6）Testing the Lorentz and CPT Symmetry with CMB
18、 polarizations and a non-relativistic Maxwell Theory.Yi-Fu Cai,Mingzhe Li,Xinmin Zhang,JCAP 1001:017,2010.7）$CPT$Violating Electrodynamics and Chern-Simons Modified Gravity.Mingzhe Li,Yi-Fu Cai,Xiulian Wang,Xinmin Zhang,Phys.Lett.B680:118-124,2009 8）Cosmological CPT violating effect on CMB polarizat
19、ion.Mingzhe Li,Xinmin Zhang,Phys.Rev.D78:103516,2008.deltaalpha=-2.33 pm 0.72 With WMAP7+B03+BICEPdeltaalpha=-0.04 pm 0.37 deg with WMAP7+B03+BICEP+QUaDQUaD:deltaalpha=0.59 pm 0.42 研究现状研究现状系统误差！？WIMP(弱作用重粒子)例如，超对称模型中的中 性伴随子（neutralino）多维空间理论中的 KK粒子暗物质研究进展暗物质研究进展两种产生机制：两种产生机制：1.热产生机制（热产生机制（Thermal）：）
20、：（像光子退耦一样）（像光子退耦一样）2.非热产生机制非热产生机制 (Non-Thermal)-冷暗物质-温暗物质天文观测暗物质性质天文观测暗物质性质通常温暗物质很轻，不能解释Pamela,ATIC暗物质粒子探测方法暗物质粒子探测方法 Collider:LHC（BEPC/BES?）直接探测 DAMA,CDMS。（我国，地下实验室）间接探测 空间：Pamela,ATIC,FERMI,AMS,(我国，小卫星，空间站)地面：H.E.S.S,羊八井ccDirect detectionccpe+g_ ATIC，FERMI 观测的 宇宙线电子谱Phys.Rev.D81:023516,2010 Warm W
21、IMP南极观测:需要物理天文的交叉研究！轴子轴子(Axion)为解决强CP破坏问题而引进 (Peccei&Quinn)轴子:标量粒子 探测:至今未发现?)10(3292aasGGgV1032efmPQQCDaQuintessino As Dark MatterIf susying the Quintessence:Quintessence:Q Squintessence:q Quintessino:Similar to:Axion,Saxion,Axino Majoron,Smajoron,MajorinoIf is lighter than ,could serve as Dark matt
22、erSusying the following interaction (H:SU(2)doublet)cgives gives*Prediction:long-lived charged particle:(R.Mohapatra and Zhang)(X.Bi,M.Liand Zhang)总结总结I)宇宙学宇宙学Concordence model (dark matter+dark energy+Inflation)建立：建立：天文观测，天文观测，实验研究实验研究 数据分析，数据分析，宇宙学参数测定宇宙学参数测定 （N-Body simulation,引力扰动理论）引力扰动理论）理论研究理论研究（暗物质暗能量模型。）（暗物质暗能量模型。）II)创新文化建设创新文化建设-重大成果重大成果 极小与极大，极小与极大，物理与天文的交叉研究物理与天文的交叉研究 核物理，核物理，粒子物理与宇宙学的交叉研究粒子物理与宇宙学的交叉研究 与十年前大不一样与十年前大不一样Thank you!
