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1、宇宙学和暗能量宇宙学和暗能量中科院高能所张新民张新民2010年4月19日Inflation+DarkMatter+DarkEnergy1998年，SN发现暗能量；2000年，Maxima,Boomerang平坦宇宙；2003年，WMAP1，SDSS，2dfGRS2003年世界十大科技进展2004年,“GoldenSample”,SNLS2006年,WMAP32008年，WMAP5（引用引用2012次次）2010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？1)Dynamics of Inflation?2)Dark Energy?3
2、)Dark Matter? （见毕效军报告）（见毕效军报告）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！？2001年WMAP卫星升空2003年公布一年观测数据NothingisspecialConcordanceModelLargeRunning;SmalllSuppression;Tautoolarge2006年公布三年观测数据LargeRunning;SmalllSuppression;Taunormal;DarkEnergywithConstantEOS,Perturbation;排除了暴涨模型;2008年公布五年观测数据+Timeevolv
3、ingEOS;CMBrotationangle(CPT&PViolation)WMAP7结果InflationDarkenergyCPT报告提纲1）Inflation检验2）暗能量研究进展3）宇宙学CPT检验（详见李明哲报告）4）AnomalousTopQuark，HiggscouplingsandElectroweakBaryogenesis5)中微子宇宙学6）总结InflationPredictions:1.FlatUniverse();2.and,CurrentStatus:1.,fitok;2.about;3.Lessthan.Inflation dynamics observed?n
4、_s=1disfavoredbymorethan3sigmaDegeneracyamongn_sandw(z)Determining Cosmological Parameters with Latest Observational Data.Jun-QingXia,HongLi,Gong-BoZhao,XinminZhangPublishedinPhys.Rev.D78:083524,2008(forWMAP5)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：注意：辐射注意：辐射
5、 w=1/3, w=1/3, 物质物质 w=0 w=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）2）动力学场：动力学场： 精质（精质（QuintessenceQuintessence，Phantom, Quintom Phantom, Quintom ）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
6、样 暗能量是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： 中微子与暗能量有关吗？1.CDM:2.QCDM: Xinmin Zhang et al, Ann Nelson et al ReviewedbyG.DvaliinAstronomicalObservations
7、:SNeIa:397 samples “constitution”CMB:WMAP7,BOOMERanG,CBI,VSA,ACBARLSS:SDSS,2dFGRSGRB,WeakLensing I） 宇宙学参数宇宙学参数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：用天文观测数据检验暗能量模型用天文观测数据检验暗能量模型-Global Fitting1）宇宙学常数：）宇宙学常数：w=-1；2）Quintessence：w-1；3）Phantom：w 50% !* 暗能量扰动的重要性暗能量扰动的重要性* WMAP 只考虑了常
8、数状态方程的情况只考虑了常数状态方程的情况目前暗能量实验结果：目前暗能量实验结果：1).大量的动力学模型受严格限制，但并没有被今天大量的动力学模型受严格限制，但并没有被今天 的数据完全排除；的数据完全排除；2).宇宙学常数与今天的数据比较吻合（宇宙学常数与今天的数据比较吻合（2内）；内）；3).最佳拟合模型是最佳拟合模型是w越过越过-1的的Quintom。G.Zhao,J.Xia,B.Feng,andX.ZhangIJMPD16,1229(2007)E.Komatsuetal.(WMAPGroup)arXiv:0803.0547J.Xia，H.Li,G.ZhaoandX.ZhangPhys.R
9、ev.D78083524,2008WMAP1WMAP3WMAP5J.Xia,G.Zhao,B.Feng,H.LiandX.ZhangPhys.Rev.D73,063521(2006)WMAP5Astrophys.J.683:L1-L4,2008研究现状GongboZhaoandXinminZhange-Print:arXiv:0908.1568WMAP7E.Komatsu et al.e-Print:arXiv:1001.45381）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, PC
10、A )； 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)Cosmologicalconstantisconsistentwiththedata;3）quintommildlyfavored，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MoreonCurrentStatusData:WMAP5+small-scaleCMB+SDSSLRG+”constitution”sample(SN:CFA+UNION)21传统理论挑战传统理论挑战： 对暗能量而言，若其位于四维Friedmann-Rob
11、ertson-Walker (FRW) 时空之下， 由单个理想流体，或拉氏量形如 的单标量场构成，且与引力最小耦合，则它的状态方程参数必不能越过-1。新理论：1.多场；2.修改引力；3.引入高阶导数；4.具有相互作用自2004年，在国内外掀起了研究状态方程越过-1的暗能量理论模型的热潮。为CosmoMC暗能量发散疑难解决提供理论框架。对应性：Quintessence-InflationQuintom-Bouncing(Quintombouncingcosmology) Bo Feng et al., Phys. Lett. B 607, 35 (2005); A. Vikman, Phys.
12、Rev. D 71, 023515 (2005); W. Hu, Phys. Rev. D 71, 047301 (2005); R. Caldwell and M. Doran, Phys. Rev. D 72, 043527 (2005); J. Xia, Y. F. Cai, T. Qiu, G. B. Zhao and X. M. Zhang, astro-ph/0703202Quintom暗能量理论暗能量理论两暗（暗物质、暗能量），一黑（黑洞），三起源（宇宙起源、天体起源（质量起源）、生命起源（物质起源）循环宇宙的模型循环宇宙：宇宙永恒存在，既没有开始也没有结束Tolman早期循环宇
13、宙：在闭宇宙模型中实现。基于高维时空理论的循环宇宙模型：Steinhardt修正的Friedmann方程(LoopQuantumCosmologyorBraneWorldscenario)所预言的循环宇宙模型。避免宇宙奇点循环宇宙需要Quintom物质在Einstein引力框架中实现循环宇宙的过程：Bounce所需的条件：Turnaround发生的条件：在bounce点状态方程：在turnaround点状态方程：在一个循环中：bounce-turnaround-bounce状态方程两次越过“-1”，我们需要Quintom实现循环宇宙。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
14、DOMEADOME ALSSTSNAPw(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
15、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-QingXia,HongLi,XinminZhang,e-Print:arXiv:0908.18762）Testing CPT Symmetry with CMB Measurements: Update after WMAP5.Jun-QingXia,HongLi,Gong-BoZhao,Xinmin
16、Zhang, Astrophys.J.679:L61,20083）Testing CPT Symmetry with CMB Measurements.Jun-QingXia,HongLi,Xiu-lianWang,Xin-minZhang,Astron.Astrophys.483:715-718,20084）Cosmological CPT violation, baryo/leptogenesis and CMB polarization.MingzheLi,Jun-QingXia,HongLi,XinminZhang,Phys.Lett.B651:357-362,20075）Search
17、ing for CPT Violation with Cosmic Microwave Background Data from WMAP and BOOMERANG.BoFeng,MingzheLi,Jun-QingXia,XueleiChen,XinminZhangPhys.Rev.Lett.96:221302,2006.6）Testing the Lorentz and CPT Symmetry with CMB polarizations and a non-relativistic Maxwell Theory.Yi-FuCai,MingzheLi,XinminZhang,JCAP
18、1001:017,2010. 7）$CPT$ Violating Electrodynamics and Chern-Simons Modified Gravity.MingzheLi,Yi-FuCai,XiulianWang,XinminZhang,Phys.Lett.B680:118-124,20098）Cosmological CPT violating effect on CMB polarization.MingzheLi,XinminZhang,Phys.Rev.D78:103516,2008.中国组完成了中国组完成了“一个一个漂亮的测量漂亮的测量”这篇文章给出了一种检这篇文章给出
19、了一种检验基本对称性（验基本对称性（CPT）的新方法的新方法deltaalpha=-2.33pm0.72WithWMAP7+B03+BICEPdeltaalpha=-0.04pm0.37degwithWMAP7+B03+BICEP+QUaDQUaD:deltaalpha=0.59pm0.42研究现状研究现状系统误差！？Top Quark, Higgs Physics 和和 宇宙学宇宙学（Electroweak Baryogenesis)Whynoanti-matter-Baryo/Leptogenesis三个条件：1）B破坏（Sphaleron)2）CandCP破坏(CKM不够）3)强一级相变
20、（m_H40GeV)需要新物理：doubleHiggs,Left-Rightmodel,SUSYEffectiveLagrangian-Anomalouscouplings(Peccei,Zhang)=AnomalousTopCouplingsatTevatron,LHC;中微子与宇宙学中微子与宇宙学 中微子在宇宙学中至关重要I.中微子代数与BBNII.中微子与LeptogenesisIII.中微子和暗能量 Xinmin Zhang et alIV. Ann Nelson et alV. IV. 中微子和暗物质VI. 1）热暗物质 m_nu 0.58 eVVII. 2) ATIC and PA
21、MELA Results on Cosmic e+- Excesses and Neutrino MassesVIII.Bi,Gu,LiandZhang总结宇宙大爆炸余辉：CMB光子，Relicneutrino，darkmatter，darkenergy.CMB光子研究：两次诺贝尔奖（1978，2006）。目前很多实验如WMAP,PLANCK，检验Inflation,CPT.Relicneutrino：0.58eV.暗物质探测（见毕效军报告）。暗能量：物理学和天文学重要课题几点想法几点想法1）粒子宇宙学近十年进展很大，提出了一些重要的问题，如暗物质，暗能量；2）我国粒子物理与宇宙学的交叉研究大
22、的进展；今天与十年前的状况大不一样；3）理论研究（模型）理论研究（模型+数据拟合数据拟合）已取得）已取得 了一了一 些重要些重要 的成果，形成了一定规模的成果，形成了一定规模 的的 研究队伍；研究队伍；4）与国际合作的实验研究已取得了一些与国际合作的实验研究已取得了一些 重要成重要成 果；果；5）我国暗物质暗能量探测的路线图1）充分挖掘羊八井，LAMOST的潜力2）上天（空间暗物质粒子间接探测），入地（地下暗物质粒子直接探测），到南极（望远镜暗能量探测） 锦屏山，锦屏山， 南极南极 -地理优势好，地理优势好， 应抓住机遇；应抓住机遇；6）粒子宇宙学队伍相对弱小；交叉研究（如归属问）粒子宇宙学队伍相对弱小；交叉研究（如归属问题？）的困难；希望得到大的支持！题？）的困难；希望得到大的支持！Thank you !
