宇宙学和暗能量 中科院高能所 张新民 2010年4月 19日

Inflation + Dark Matter + Dark Energy 近年宇宙学研究重大进展及挑战 1998年，SN发现暗能量； 2000年，Maxima, Boomerang 平坦宇宙； 2003年，WMAP1，SDSS，2dfGRS 2003年世界十大科技进展 2004年 , “Golden Sample”, SNLS 2006年 , WMAP3 2008年，WMAP5（引用2012次） 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? （见毕效军报告） 4)Why no antimatter? 我国基础研究的一个机遇！？ 2

Nothing is special  Concordance Model 2006年公布三年观测数据 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)

WMAP7结果 Inflation Dark energy CPT

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）Anomalous Top Quark， Higgs couplings and Electroweak Baryogenesis 5)中微子宇宙学 6）总结

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

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

Degeneracy among n_s and w(z) Determining 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)

暗能量简介 实验证据：1998年，SN发现加速膨胀； 基本特征： 注意：辐射 w=1/3, 物质 w=0， 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。

2）动力学场： 精质（Quintessence，Phantom, Quintom ……） 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

宇宙学常数还是动力学？？？ 1. 精细结构常数改变： 预言宇宙演化的不同行为： 动力学场：宇宙中的“以太” 2. 中微子质量改变： 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？ ΛCDM: QCDM: Xinmin Zhang et al, Ann Nelson et al Reviewed by G. Dvali in <Nature>

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

-------Global Fitting 用天文观测数据检验暗能量模型 -------Global Fitting I） 宇宙学参数 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:

Difficulty with dark energy perturbation when w crosses -1 --发散问题 CMB---》引力扰动理论 的成功 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 ??

B. Feng, X. Wang and X. Zhang, PLB607, 35 (2005)；引用434次 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)；引用434次 G.B.Zhao, J.Q.Xia, M.Li, B.Feng & X.Zhang, PRD 72, 123515 (2005)。 入选了《第一届中国百篇最具影响优秀国际学术论文》 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

SN Ia + SDSS + WMAP-1 确定的暗能量状态方程 暗能量扰动 不可忽略!! Observing dark energy dynamics with supernova, microwave background and galaxy clustering Jun-Qing Xia, Gong-Bo Zhao, Bo Feng, Hong Li and Xinmin Zhang Phys.Rev.D73, 063521, 2006

2006年的WMAP观测对暗能量状态方程的确定 Relative error: ~9% Relative error > 50% !! * 暗能量扰动的重要性 * WMAP 只考虑了常数状态方程的情况

J.Xia,G.Zhao,B.Feng,H.Li and X.Zhang WMAP3 WMAP1 G.Zhao, J.Xia, B.Feng, and X.Zhang IJMPD 16,1229 (2007) 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 的数据完全排除； 2).宇宙学常数与今天的数据比较吻合（2σ内）； 3).最佳拟合模型是w越过-1的Quintom。 J.Xia,G.Zhao,B.Feng,H.Li and X.Zhang Phys.Rev.D73, 063521(2006) WMAP5 WMAP5 E.Komatsu et al. (WMAP Group) arXiv: 0803.0547 J.Xia， H. Li, G. Zhao and X. Zhang Phys. Rev. D 78 083524, 2008 18

Astrophys.J.683:L1-L4,2008

研究现状 2) Cosmological constant is consistent with the data; Gongbo Zhao and Xinmin Zhang e-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(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

More on Current Status Data: WMAP5 + small-scale CMB + SDSS LRG + ”constitution” sample (SN: CFA+UNION) 21

Quintom暗能量理论 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 传统理论挑战： 对暗能量而言，若其位于四维Friedmann-Robertson-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 --Inflation Quintom --- Bouncing (Quintom bouncing cosmology) Bo Feng et al., Phys. Lett. B 607, 35 (2005); A. Vikman, Phys. 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/0703202 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 避免宇宙奇点 Tolman 早期循环宇宙：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(Loop Quantum Cosmology or Brane World scenario) 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—DOME A SNAP DOME A LSST w(z)=w0+wa*z/(1+z)

CMB检验CPT对称性 FRW violates Lorentz, how to detect ……… 当时没有数据，用模拟的数据做研究 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)

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.

中国组完成了“一个漂亮的测量” 这篇文章给出了一种检 验基本对称性（CPT） 的新方法

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！？

Top Quark, Higgs Physics 和 宇宙学（Electroweak Baryogenesis) Why no anti-matter -------Baryo/Leptogenesis 三个条件：1）B 破坏 （Sphaleron) 2）C and CP破坏 (CKM 不够） 3) 强一级相变 （m_H< 40 GeV) 需要新物理： double Higgs, Left-Right model, SUSY Effective Lagrangian ----Anomalous couplings ( Peccei, Zhang ……………) == = Anomalous Top Couplings at Tevatron, LHC;

中微子与宇宙学 中微子在宇宙学中至关重要 中微子代数与BBN 中微子与Leptogenesis 中微子和暗能量 Xinmin Zhang et al Ann Nelson et al IV. 中微子和暗物质 1）热暗物质 m_\nu < 0.58 eV 2) ATIC and PAMELA Results on Cosmic e+- Excesses and Neutrino Masses Bi, Gu, Li and Zhang

总结 宇宙大爆炸余辉：CMB光子，Relic neutrino，dark matter，dark energy. 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….. Relic neutrino：<0.58 eV. 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 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 大的进 展；今天与十年前的状况 大不一 样； 3）理论研究（模型+数据拟合）已取得 了一 些重要 的成果，形成了一定规模 的 研究队伍； 4）与国际合作的实验研究已取得了一些 重要成 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， 南极 ----地理优势好， 应抓住机遇； 6）粒子宇宙学队伍相对弱小；交叉研究（如归属问题？）的困难；希望得到大的支持！

Thank you !