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項目名稱： 確定暗能量狀態方程和精靈（Quintom）模型
推薦單位： 中國科學院
項目簡介： 自1998年，天文觀測進一步證實了大爆炸宇宙學模型，同時對物理學提出了一些重大的挑戰。這些觀測數據的分析表明，粒子物理標準模型中的物質只占宇宙的4%，而73%是暗能量，另外23%是暗物質。暗能量是當今物理學和天文學的一個研究熱點。本項目研究暗能量及相關的宇宙學CPT破壞問題。
表征暗能量性質的重要量是狀態方程參數w=P/ρ。例如，對于宇宙學常數w=-1；對于動力學模型Quintessence（精質），w隨時間而變，但是永遠大于-1；對于Phantom（幽靈），永遠小于-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，為現有的觀測數據所支持并預言了一種全新的宇宙演化圖景。我們的論文2005年初發表之后在國內外掀起了研究w越過-1的暗能量模型的熱潮。根據Slac-Qspires的檢索統計，此文至今引用248次，另外四篇有關Quintom的論文分別引用了120次、171次、106次和86次。
基于天文觀測數據（CMB+LSS+SN）開展數值計算、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秀國際學術論文》。然后我們修改了CosmoMC，并用這一新的程序對w做了整體擬合和分析。我們的結果對認識暗能量的物理本質有重要的指導意義。
2002年，我們在國際上首次提出了一個統一暗能量及Baryo-/Leptogenesis的模型。此模型預言了CPT對稱性的破壞。2006年我們在國際上首次用美國WMAP衛星和BOOMERanG南極氣球實驗發表的最新數據分析，發現CPT對稱性破壞的跡象。美國物理協會周刊《Physical Review Focus》為此作了專題報道。在以"Testing a Universal Symmetry"為標題的報道中，充分肯定了我們的工作："the Chinese team has performed "a nice measurement""。
主要發現點： 本項目包括以下三個核心發現點：
1）精靈（Quintom）暗能量模型（所屬學科：大爆炸宇宙論、基本粒子物理學；代表性論文序號：【1】）：
研究暗能量是當前天文學和物理學的一個重要課題。 表征暗能量模型的重要量是狀態方程參數w=p/ρ, 比如, 對于宇宙學常數(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. 由此用天文觀測數據對w進行確定，對于研究暗能量是至關重要的。2004年利用Riess等人公布的157個超新星（SN）數據點來確定暗能量狀態方程參數是宇宙學研究的一個熱點。 我們【1】利用這一數據和宇宙年齡對狀態方程參數進行了分析和擬合，發現有跡象表明w在今天是小于-1的，然而隨著紅移增大，w越過-1而變大。據此特征，我們研究了這一結果的物理意義。首先我們發覺當時文獻中的暗能量理論模型都不能解釋這一數據。由此，我們指出這一發現是對暗能量基本理論的重大挑戰（No-Go定理）。進一步，我們提出了一個全新的暗能量理論，叫做Quintom來解釋這一新現象。Quintom暗能量理論具有w越過-1的性質，為現有的觀測數據所支持，并預言了一種全新的宇宙演化圖景。
2）暗能量擾動理論及數值整體擬合確定暗能量狀態方程（所屬學科：大爆炸宇宙論、基本粒子物理學；代表性論文序號：【2】、【3】）：
確定暗能量狀態方程是解決暗能量之謎的首要任務。其基本方法為：基于天文觀測數據（CMB+LSS+SN），開展數值計算、整體擬合。CosmoMC是通用的一個軟件包。由于當w越過-1時，暗能量擾動會出現發散，這就成為了參數擬合中的經典困難�；谖覀兲岢龅腝uintom暗能量模型，我們系統的研究并解決了w越過-1時的擾動問題，并給出了一種在宇宙學參數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上對暗能量狀態方程及相關宇宙學參數做了整體擬合和分析【3】。我們的結果顯示，最佳擬合值w越過-1，支持Quintom模型；在2σ范圍內宇宙學常數可以很好地擬合目前的天文觀測數據；動力學模型沒有被排除，但大量相對應狀態方程隨時間變化快且偏離-1大的參數空間已被排除。這一結果對暗能量理論研究、暗能量模型構造有重要的指導意義。
3）宇宙學CPT破壞、Baryo-/Leptogenesis和CMB極化（所屬學科：基本粒子物理學、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，暗能量場導數耦合到物質場上，實現了Baryo-/Leptogenesis【4】。這一模型統一地解釋了宇宙加速膨脹和反物質丟失之謎，并預言了CPT對稱性的破壞。2005年，我們用模擬的數據對CPT做了研究【5】。2006年，我們在國際上首次用美國WMAP衛星和BOOMERanG南極氣球實驗發表的最新數據分析，發現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理論研究，至今已發表近百篇學術論文（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、暗能量及粒子宇宙學相關問題的研究。同時培養了多名粒子宇宙學研究的青年工作者（研究生、博士后）。在本項目研究中，作為負責人，是主要學術思想的提出者，數值計算部分由學生馮波、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。
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