宇宙学和暗能量
中科院高能所 张新民
2010年4月 19日
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
Inflation + Dark Matter + Dark Energy
73%：暗能量？
23%：暗物质？
1)Dynamics of Inflation? 我国基础研
究的一个机
2)Dark Energy?
遇！？
3)Dark Matter? （见毕效军报告）
4)Why no antimatter?
• 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;
4

排除了
暴涨模型; ns 1  0 (2  3 )
• 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:
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 sigma
Degeneracy among n_s and w(z)
 4 : N  64
m 2 2 : N  50 ~ 60
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；
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：

  3 p  0 w  p /   1 / 3
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。
暗能量理论模型简介
1） 宇宙学常数（真空能）
w  1
 ~ (2*103 eV)4
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？？？
• 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：QF F
2. 中微子质量改变：
中微子与暗能量有关吗？
2
m
33
mQ  10 eV 
1. ΛCDM:
M pl
2. QCDM:   (10 ev)  (m )
3
4
4
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…
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
……
z
暗能量状态方程参数化: wDE ( z )  w0  w1
1 z
暗能量模型：
Primordial power spectrum:
CMB---》引力扰动理论 的成功
Difficulty with dark energy perturbation
when w crosses -1 --发散问题
  0  ,,  ,  
1  w  0, w
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 ??
II. 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：
Monte Carlo Markov Chains
上海超级计算机
修改的CAMB/CosmoMC
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》
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
WMAP3
WMAP1
G.Zhao, J.Xia,
B.Feng, and
X.Zhang
IJMPD 16,1229
(2007)
J.Xia,G.Zhao,B.Feng,H.Li and X.Zhang
Phys.Rev.D73, 063521(2006)
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。
WMAP5
E.Komatsu et al.
(WMAP Group)
arXiv:
0803.0547
WMAP5
J.Xia， H. Li,
G. Zhao and
X. Zhang
Phys. Rev. D 78
083524, 2008
Astrophys.J.683
:L1-L4,2008
研究现状
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
•
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。
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
• 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)
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
避免宇宙奇点
有结束
• 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。
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：

H 0 H 0
Turnaround 发生的条件：

H 0 H 0
在bounce点状态方程：
w
p

 
在turnaround 点状态方程：
w
p

 
在一个循环中：bounce-----turnaround-----bounce 状态
方程 w 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
F .O.M  1 / det[C (w0 , wa )]
w(z)=w0+wa*z/(1+z)
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, Xinmin 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
I.
中微子代数与BBN
II.
中微子与Leptogenesis
III. 中微子和暗能量
Xinmin Zhang et al
 ~ (2*103 eV)4
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 !