項目名稱： 確定暗能量狀態(tài)方程和精靈（Quintom）模型

推薦單位： 中國科學(xué)院

項目簡介： 自1998年，天文觀測進(jìn)一步證實了大爆炸宇宙學(xué)模型，同時對物理學(xué)提出了一些重大的挑戰(zhàn)。這些觀測數(shù)據(jù)的分析表明，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的物質(zhì)只占宇宙的4%，而73%是暗能量，另外23%是暗物質(zhì)。暗能量是當(dāng)今物理學(xué)和天文學(xué)的一個研究熱點。本項目研究暗能量及相關(guān)的宇宙學(xué)CPT破壞問題。

表征暗能量性質(zhì)的重要量是狀態(tài)方程參數(shù)w=P/ρ。例如，對于宇宙學(xué)常數(shù)w=-1；對于動力學(xué)模型Quintessence（精質(zhì)），w隨時間而變，但是永遠(yuǎn)大于-1；對于Phantom（幽靈），永遠(yuǎn)小于-1。2004年，我們在國際上首次提出了一類新的模型，命名為Quintom（精靈）。Quintom模型的特征是w可以穿越-1，為現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)所支持并預(yù)言了一種全新的宇宙演化圖景。我們的論文2005年初發(fā)表之后在國內(nèi)外掀起了研究w越過-1的暗能量模型的熱潮。根據(jù)Slac-Qspires的檢索統(tǒng)計，此文至今引用248次，另外四篇有關(guān)Quintom的論文分別引用了120次、171次、106次和86次。

基于天文觀測數(shù)據(jù)（CMB+LSS+SN）開展數(shù)值計算、整體擬合分析來確定w是解開暗能量之謎的首要方法。CosmoMC是通用的一個軟件包，但由于當(dāng)w越過-1時，暗能量擾動方程存在奇異性，CosmoMC不能用來確定隨時間變化的w。我們基于Quintom理論首次提出了一個處理動力學(xué)暗能量擾動的自洽方法，此論文入選《第一屆中國百篇最具影響優(yōu)秀國際學(xué)術(shù)論文》。然后我們修改了CosmoMC，并用這一新的程序?qū)�w做了整體擬合和分析。我們的結(jié)果對認(rèn)識暗能量的物理本質(zhì)有重要的指導(dǎo)意義。

2002年，我們在國際上首次提出了一個統(tǒng)一暗能量及Baryo-/Leptogenesis的模型。此模型預(yù)言了CPT對稱性的破壞。2006年我們在國際上首次用美國WMAP衛(wèi)星和BOOMERanG南極氣球?qū)嶒灠l(fā)表的最新數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)CPT對稱性破壞的跡象。美國物理協(xié)會周刊《Physical Review Focus》為此作了專題報道。在以"Testing a Universal Symmetry"為標(biāo)題的報道中，充分肯定了我們的工作："the Chinese team has performed "a nice measurement""。

主要發(fā)現(xiàn)點： 本項目包括以下三個核心發(fā)現(xiàn)點：

1）精靈（Quintom）暗能量模型（所屬學(xué)科：大爆炸宇宙論、基本粒子物理學(xué)；代表性論文序號：【1】）：

研究暗能量是當(dāng)前天文學(xué)和物理學(xué)的一個重要課題。 表征暗能量模型的重要量是狀態(tài)方程參數(shù)w=p/ρ, 比如, 對于宇宙學(xué)常數(shù)(或真空能)它是-1; 對于Quintessence模型, 它介于+1和-1之間; 對于Phantom模型, 它小于-1. 由此用天文觀測數(shù)據(jù)對w進(jìn)行確定，對于研究暗能量是至關(guān)重要的。2004年利用Riess等人公布的157個超新星（SN）數(shù)據(jù)點來確定暗能量狀態(tài)方程參數(shù)是宇宙學(xué)研究的一個熱點。 我們【1】利用這一數(shù)據(jù)和宇宙年齡對狀態(tài)方程參數(shù)進(jìn)行了分析和擬合，發(fā)現(xiàn)有跡象表明w在今天是小于-1的，然而隨著紅移增大，w越過-1而變大。據(jù)此特征，我們研究了這一結(jié)果的物理意義。首先我們發(fā)覺當(dāng)時文獻(xiàn)中的暗能量理論模型都不能解釋這一數(shù)據(jù)。由此，我們指出這一發(fā)現(xiàn)是對暗能量基本理論的重大挑戰(zhàn)（No-Go定理）。進(jìn)一步，我們提出了一個全新的暗能量理論，叫做Quintom來解釋這一新現(xiàn)象。Quintom暗能量理論具有w越過-1的性質(zhì)，為現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)所支持，并預(yù)言了一種全新的宇宙演化圖景。

2）暗能量擾動理論及數(shù)值整體擬合確定暗能量狀態(tài)方程（所屬學(xué)科：大爆炸宇宙論、基本粒子物理學(xué)；代表性論文序號：【2】、【3】）：

確定暗能量狀態(tài)方程是解決暗能量之謎的首要任務(wù)。其基本方法為：基于天文觀測數(shù)據(jù)（CMB+LSS+SN），開展數(shù)值計算、整體擬合。CosmoMC是通用的一個軟件包。由于當(dāng)w越過-1時，暗能量擾動會出現(xiàn)發(fā)散，這就成為了參數(shù)擬合中的經(jīng)典困難�；�于我們提出的Quintom暗能量模型，我們系統(tǒng)的研究并解決了w越過-1時的擾動問題，并給出了一種在宇宙學(xué)參數(shù)整體擬合中處理暗能量擾動的自洽辦法【2】。然后我們修改了CosmoMC，并用這一新的程序在上海曙光超級計算機(jī)上對暗能量狀態(tài)方程及相關(guān)宇宙學(xué)參數(shù)做了整體擬合和分析【3】。我們的結(jié)果顯示，最佳擬合值w越過-1，支持Quintom模型；在2σ范圍內(nèi)宇宙學(xué)常數(shù)可以很好地擬合目前的天文觀測數(shù)據(jù)；動力學(xué)模型沒有被排除，但大量相對應(yīng)狀態(tài)方程隨時間變化快且偏離-1大的參數(shù)空間已被排除。這一結(jié)果對暗能量理論研究、暗能量模型構(gòu)造有重要的指導(dǎo)意義。

3）宇宙學(xué)CPT破壞、Baryo-/Leptogenesis和CMB極化（所屬學(xué)科：基本粒子物理學(xué)、大爆炸宇宙論；代表性論文序號：【4】、【5】、【6】）：

2002年，我們在國際上首次提出了一個相互作用暗能量模型。在這個模型中，暗能量場導(dǎo)數(shù)耦合到物質(zhì)場上，實現(xiàn)了Baryo-/Leptogenesis【4】。這一模型統(tǒng)一地解釋了宇宙加速膨脹和反物質(zhì)丟失之謎，并預(yù)言了CPT對稱性的破壞。2005年，我們用模擬的數(shù)據(jù)對CPT做了研究【5】。2006年，我們在國際上首次用美國WMAP衛(wèi)星和BOOMERanG南極氣球?qū)嶒灠l(fā)表的最新數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)CPT對稱性破壞的跡象【6】。

主要完成人： 張新民

主要從事粒子物理和宇宙學(xué)理論研究，至今已發(fā)表近百篇學(xué)術(shù)論文（其中70篇回國后完成），由Slac-Qspires查知，總引用3000余次。引用50次以上的22篇（其中17篇回國后完成）。1996年回國后，致力于暗物質(zhì)、暗能量及粒子宇宙學(xué)相關(guān)問題的研究。同時培養(yǎng)了多名粒子宇宙學(xué)研究的青年工作者（研究生、博士后）。在本項目研究中，作為負(fù)責(zé)人，是主要學(xué)術(shù)思想的提出者，數(shù)值計算部分由學(xué)生馮波、夏俊卿、趙公博、李虹分別完成。參與本項目的工作量在60%以上。