李学潜
南开大学物理科学学院
 LHC已经开始运行
 设计对撞能量为14TeV
 目前的对撞能量为7TeV，将运行18-24个月，积分
亮度为1 fb-1
 其他加速器，对撞机实验
 在天文学上有气球，卫星以及地面（我国的西藏
羊八井观测站，云南高山站）
 地下的暗物质，中微子探测
…………
伽利略（1564—1642，78）
近代科学之父→实验科学
普朗克（1858—1947，89）
——量子论
牛顿（1642—1727，85）
经典力学体系→近代自然科学的形成
爱因斯坦（1879—1955，76）
——相对论
物理学归根结底是实验科学，一切物理规律，理论都
是来源于观察，实验，如要回归到实验
物理的基本规律是不变的，但物理学是在不断前进的。
 物理分为基础物理和应用物理
我们仅涉及基础物理研究。
20世纪是创新的世纪，20世纪末随着计算机的高速发展，
和互联网的使用，人类的知识积累和认识世界的手段
达到了前所未有的水平！
 1. 天文-宇宙学
宇宙学以成为一门可以验证的精确科学！
宇宙的历史，起源于130亿年前的大爆炸，
演化到今天，宇宙是有边界的。
 Hubble 膨胀
V=H0R
这说明了宇宙的不稳定
和牛顿，爱因斯坦开始设想的稳定宇宙不同。
哈伯定理开辟了现代宇宙学的时代。
几个简单公式
 3。几个简单公式
 爱因斯坦广义相对论
空间,时间和物质,真空能的关系
λ为宇宙常数
RW度规
Planck 分布
Planck 分布中的高能光子数
一个故事
那么今天的Teff 大约为2.3-2.7K
发现和证实： Princeton 大学的 Dicke 和 Peebles 认识到背景辐射对热大爆炸
宇宙学的重要，准备寻找，
Penzias 和 Wilson在调试频率为4080MHz的角形天线，在没有信号时测定了本
底，拟合温度为
T(θ)=(4.4+2.3secθ)K
发现它是无法排除的来自远处的噪声。
从而得到诺贝尔奖。
但它仅是一个频率上的，由于实验很困难，大气影响很难排除，不能在地球上
完成
新的Nobel 奖
这是COBE 测量的最后结果。在星系形成后的宇宙中，不同部分有了不
同温度，宇宙介质已没有了统一的热平衡。例如太阳的热辐射谱合黑体辐
射谱相差很大。 只有在早期，宇宙才能是整体达到高度热平衡的系统。
背景辐射谱与黑体辐射谱的高度一致指出它是来自早期宇宙，支持了热大
爆炸理论。
星体起源
 COBE的另一个结果
多极各向异性（偶极各向异性主要是由于银河系运动产生的红移改变）预示宇宙
介质不能完全均匀。
早期宇宙各处温度和密度有微小起伏，它是后来结构形成的种子。
正是因为这种小起伏，由引力构成今天的星体。
宇宙中元素
 大爆炸核合成BBN
这是一个比较复杂的核反应链，但大爆炸理论预言中子数与质子数之比为1:7，
这个比例是由于中子与质子的质量差为1.29 MeV，转化停止的冻结温度为0.8
MeV。这结果意味今天He丰度为质子的1/4。测量之为大约0.23-0.25。
正反物质不对称性
7。宇宙中正反物质的不对称性
观测宇宙中只有质子，中子和带负电的电子，而不存在
它们的反粒子。从热大爆炸理论它们应该存在。
Sakharov 提出三个必须的条件
1 存在破坏重子数（轻子数)守恒的相互作用
2 CP破坏
3 宇宙对热平衡的偏离（至少在演化某一阶段）
What is the dark matter?
Particles?
We only consider particle dark matter, but of course
there are many other models with non-particle dark
matter.
1. The most favorable WIMP (weakly interacting massive
particle) is the LSP (the lightest super-symmetric
particle) i.e. a neutralono
R-parity
 For SM particles R=+1, and
for SUSY particles
 R=-1, if R-parity is conserved, the LSP does not
decay, so it is the most favorable DM candidate.
Chen et al.
The Darkon model
The simplest way is to introduce a SM gauge singlet particle (scalar, fermion
or vector) which does not have SM gauge interactions, but can only couple
to Higgs.
But due to the constraint from LHC, the simple model
Darkon+SM does not work.
Thus it should be extended into Darkon+SM+BSM
BSM is the new physics beyond standard model.
This is the so-called Type III two-Higgs-doublet model. There are some
other models instead of this one.
Dark matter particles may decay and annihilate into SM particles.
In the early universe, temperature was rather high, the annihilation processes
dominated.
Today, there are still possibilities that DM
particles decay and annihilate, that is the
indirect search for dark matter.
The ATTIC, Pamela, Fermi and AMS-2
experiments all report that the excess of
positron density at a few GeV to a few tens
of GeV, which might be explained as
signals of dark matter.
Direct detection of dark matter
Direct detection of DM
The direct detection of DM: the DM particles scatter with nuclei in our earth
detector, because the kinetic energy of DM is rather small, the scattering is
Purely elastic.
 The elastic scattering with the nuclei in our detectors
is indeed a complicated process because of the nuclear
effects. Nucleus is a complex many-body system.
The elementary collision occurs between dark matter
particle and quark (gluon contribution can be
neglected) in proton and neutron.
Therefore theoretical estimation of the recoil effects
between DM particle with nuclei includes two steps:
1. From DM-quark scattering to DM-hadron (proton,
neutron)
2. To the level of nucleus
3. If, as some experiments measure the thermal effects,
the crystal lattice vibration effects must also be taken
into account.
Before collision with the DM particle, the nuclei and can
be treated as motionless in the Lab reference frame.
After it collides with DM particle, it recoils and its recoil
kinetic energy or electric charge would be recorded as
signals of DM.
There are two types: Spin-Independent (SI) and Spin-Dependent
(SD) detections. Since v and q are small, some operators do not
make substantial contributions.
The first operator is about scattering between DM scalar
with quarks via exchanging Higgs
Nowadays, at LHC the Higgs boson has been discovered
and it has a mass at 125 GeV. (Even though we cannot
be very sure if it is the SM Higgs yet.)
For spin independent
interaction
For light quarks
For heavy quarks
totally
I)
什么是暗能量？(科学问题， 社会关注）
到处都有 （不是想象的哪么神秘，但难以理解负压）
能开发吗？（不是伪科学）
II） 目前知多少？
理论： Cosmological constant?
Quintessence?
Phantom?
Quintom?
数据： 天文观测（SN， SDSS， WMAP。。）对暗能量的限制状况
III）为什么相信动力学Quintom理论？
Inflation  Quintessence
Bounce -> Quintom
IV）如何进一步检验？国际上大型望远镜（LSST， WFIRST，Euclid。。）
中国的计划（LAMOST, 南极KDUST,
空间站2米望远镜， 。。。。）
我国暗物质暗能量探测路线图
暗能量简介
观测证据：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
2006年， SN 邵逸夫奖 （Nobel Prize？）
2010年， WMAP 邵逸夫奖（Nobel Prize？）
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：宇宙学框架下物质描述：密度 \rho, 状态方程 w
例如： 辐射 w=1/3； 物质 w=0；
冷暗物质w=0
（《------Hot DM w: 1/30 )；
暗能量：w=? 只知 w < -1/3
太粗略了!!!
宇宙学常数
问题： 粒子物理 的真空不空
Why so small?
(questioned before 1998)
Anthropics principle !?
Why now ?
暗能量
 暗能量是什么？
温伯格： 空的空间？是“真空”吗？有能量吗？
Quantum fluctuations in electric，magnetic
and gravitational fields
很大的能量
爱因斯坦1917年修改引力方程
AMS计划
但也存在其他可能性，反物质存在于我们广阔宇宙的另一部分，它是和我们居住
的部分完全分开的。那么就有可能一些暗物质颗粒会脱离它们的世界而飞到我
们这儿来。我们的任务是找到它们。
AMS 计划
Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 由丁肇中领导的庞大的计划在太空中寻找反
物质流。
讲一个有趣的问题：虫洞理论
哲学，物理学
图：大蛇图
宇宙涉及是非常大的尺度，非常高的能量，非常长的时
间，是超出宏观的宇观物理
粒子物理研究的是非常小的尺度，非常高的能量（相对
而言），非常短的时间，是微观物理。
但它们却是紧密相关的。因而我们有可能在地球的探测
器上对宇宙学进行研究。
新物理
 和寻找暗物质和暗能量一样，要解释正反物质的不
对称性，需要新物理。
 已有若干新物理模型，但最终（？）要确定它们，
必须依靠实验，LHC将是最好的（至少目前来说）
的大型实验装置。
其他实验
 目前我国的BEPCII，（BESIII）已经成功完成对撞，
今年开始取数据；
 日本的Belle （B-介子工厂）
 我国的大亚湾中微子实验；
 目前RHIC
等等
都对人类认识自然提供了实验观测基础。
物理
细推物理须行乐
何用浮名绊此身
杜甫， 曲江二首
细推物理日复日
疑难得解乐上乐
李政道， 借杜甫诗意
The Golden age
is coming!
Thanks !
谢谢！