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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. 近年宇宙学研究重大进展及挑战. 1998 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 ， 2dfGRS 2004 年 , “Golden Sample ” , SNLS 2006 年 , WMAP3 2008 年， WMAP5 （ 2010 年 邵逸夫奖 ） 2008 年， Pamela, ATIC 2009 年， Fermi LAT 2010 年， WMAP7.

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粒子宇宙学研究进展

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Presentation Transcript

  1. 粒子宇宙学研究进展 中科院高能所 张新民

  2. 近年宇宙学研究重大进展及挑战 1998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，2dfGRS 2004年 , “Golden Sample”, SNLS 2006年 , WMAP3 2008年，WMAP5 （2010年邵逸夫奖） 2008年， Pamela, ATIC 2009年， Fermi LAT 2010年， WMAP7 73%：暗能量？ 23%：暗物质？ Inflation + Dark Matter + Dark Energy 1)Dynamics of Inflation? 2)Dark Energy? 3)Dark Matter? 4)Why no antimatter? 我国基础研究的一个机遇！？ 上天， 入地到南极

  3. 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－Ａ 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

  4. 报告提纲1）“两暗一黑三起源”介绍2）WMAP今年得了邵逸夫奖WMAP7部分工作介绍报告提纲1）“两暗一黑三起源”介绍2）WMAP今年得了邵逸夫奖WMAP7部分工作介绍

  5. ------------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

  6. Comments:1)争议集中在“生命起源”的定义 （南极香山会议， 王力帆与张新民商议应写个注释）2）发明地是高能所3）物理诠释(见张新民南昌会议报告）：两暗（暗物质暗能量）： 一样一黑：天文注重观测， 而物理注重理论如黑洞熵三起源：天文： 宇宙，天体， 生命 物理： 宇宙，物质起源（why no antimatter?)质量起源 （LHC, BES, electroweak, chiral symmetry breaking)

  7. 2001年WMAP卫星升空 • 2003年公布一年观测数据 Nothing is special  Concordance Model Large 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年公布五年观测数据 + Time evolving EOS; CMB rotation angle (CPT & P Violation) 2010年公布七年观测数据

  8. Comments: • 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??) • 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， Higgs ?, 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？

  9. SM：量子场论，规范场 宇宙学： 扰动理论 国际上CosmoMC (光子， 重子， 暗物质扰动） +暗能量扰动 Difficulty with dark energy perturbation when w crosses -1 --发散问题 Similar to the non-renormalization without Higgs in the electroweak theory Here, also need extra degree of freedom -------Quintom field S. Weinberg ……’t Hooft, M. Veltman : Higgs 理论的成功！ 但， Higgs not discovered, LHC ??

  10. 用天文观测数据确定宇宙学参数 -------Global Fitting 宇宙学参数 对应SM：粒子质量， 耦合常数等 1）宇宙学常数：w=-1； 2）Quintessence：w>-1； 3）Phantom：w<-1； 4）Quintom：w 越过-1 …… 暗能量模型： 暗能量状态方程参数化: Primordial power spectrum:

  11. II. 天文观测数据： 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)。 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： Monte Carlo Markov Chains 上海超级计算机 修改的CAMB/CosmoMC

  12. Astronomical Observations: SNeIa: 397 samples “constitution” CMB: WMAP7, BOOMERanG, CBI, VSA,ACBAR… LSS: SDSS, 2dFGRS GRB, Weak Lensing…

  13. Inflation WMAP7结果 Dark energy CPT

  14. Inflation Predictions: 1. Flat Universe ( ); 2. and , Current Status: 1. , fit ok; 2. about ; 3. Less than .

  15. Inflation dynamics observed? n_s=1 disfavored by more than 3 sigma

  16. Degeneracy among n_s and w(z) Determining Cosmological Parameters with Latest Observational Data.Jun-Qing Xia, Hong Li, Gong-Bo Zhao, Xinmin ZhangPublished in Phys.Rev.D78:083524,2008 (for WMAP5)

  17. 暗能量简介 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：  1. 负压 2. 完全或者几乎不结团 注意：辐射 w=1/3, 物质 w=0， 由此直观上理解暗能量的负压性质十 分困难；暗能量模型可由状态方程 w 来分类。

  18. 暗能量理论模型简介 1） 宇宙学常数（真空能） 宇宙学常数问题！ 2）动力学场： 精质（Quintessence，Phantom, Quintom ……） → 不同模型预言的w演化行为不一样 暗能量是宇宙学常数？还是动力学的？ 认识暗能量首要任务： 基于天文观测数据、开展整体分析、 确定暗能量状态方程

  19. 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： Xinmin Zhang et al, Ann Nelson et al • 中微子与暗能量有关吗？ • ΛCDM: • QCDM:

  20. 研究现状 WMAP7 E. Komatsu et al.e-Print: arXiv:1001.4538 Gongbo Zhao and Xinmin Zhang e-Print: arXiv:0908.1568 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(perturbation, PCA …)； 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quintom暗能量理论发展 4）但是目前观测的精度还不够， 推动新设备

  21. 我国暗能量探测可行性研究—LAMOST

  22. SNAP DOME A LSST 我国暗能量探测可行性研究—DOME A w(z)=w0+wa*z/(1+z)

  23. CMB检验CPT对称性 FRW violates Lorentz, how to detect ……… 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，用模拟的数据做研究 特点： Lorentz 破坏强度 ~ H 由于CMB 光子传播 ~ 1/H 观测效应 ~ O(1) (Note here the notation: G ~ E, C~ B)

  24. 相关论文 1） Probing CPT Violation with CMB Polarization Measurements.Jun-Qing Xia, Hong Li, Xinmin Zhang, e-Print: arXiv:0908.1876 2）Testing CPT Symmetry with CMB 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 polarization.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 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 polarization.Mingzhe Li, Xinmin Zhang, Phys.Rev.D78:103516,2008.

  25. 研究现状 \delta\alpha=-2.33 \pm 0.72 With WMAP7+B03+BICEP \delta\alpha= -0.04 \pm 0.37 deg with WMAP7+B03+BICEP+QUaD QUaD: \delta\alpha =0.59 \pm 0.42 系统误差！？

  26. 暗物质研究进展 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

  27. 两种产生机制： 1. 热产生机制（Thermal）： （像光子退耦一样） 2. 非热产生机制 (Non-Thermal) -----》冷暗物质 通常温暗物质很轻， 不能解释 Pamela, ATIC… -----》温暗物质 天文观测暗物质性质

  28. c c _ g p c c e+ n 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 Direct detection

  29. ATIC， FERMI 观测的 宇宙线电子谱

  30. Phys.Rev.D81:023516,2010 需要 物理天文 的交叉 研究！！！ 南极观测: Warm WIMP

  31. 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

  32. Quintessino As Dark Matter (X. Bi, M. Li and Zhang) • If susying the Quintessence: • Quintessence: Q • Squintessence: σq • Quintessino: Similar to : Axion, Saxion, Axino Majoron, Smajoron, Majorino (R. Mohapatra and Zhang) • If is lighter than , could serve as Dark matter • Susying the following interaction • (H: SU(2) doublet) gives gives * Prediction: long-lived charged particle:

  33. 总结 • 宇宙学Concordence model • (dark matter+ dark energy+Inflation)建立： • 天文观测， 实验研究 • 数据分析， 宇宙学参数测定 • （N-Body simulation, 引力扰动理论） • 理论研究 （暗物质暗能量模型。。。） • 创新文化建设-----重大成果 • 极小与极大， 物理与天文的交叉研究 • 核物理， 粒子物理与宇宙学的交叉研究 • 与十年前大不一样

  34. Thank you !

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