项目名称： 确定暗能量状态方程和精灵（Quintom）模型

推荐单位： 中国科学院

项目简介： 自1998年，天文观测进一步证实了大爆炸宇宙学模型，同时对物理学提出了一些重大的挑战。这些观测数据的分析表明，粒子物理标准模型中的物质只占宇宙的4%，而73%是暗能量，另外23%是暗物质。暗能量是当今物理学和天文学的一个研究热点。本项目研究暗能量及相关的宇宙学CPT破坏问题。

表征暗能量性质的重要量是状态方程参数w=P/ρ。例如，对于宇宙学常数w=-1；对于动力学模型Quintessence（精质），w随时间而变，但是永远大于-1；对于Phantom（幽灵），永远小于-1。2004年，我们在国际上首次提出了一类新的模型，命名为Quintom（精灵）。Quintom模型的特征是w可以穿越-1，为现有的观测数据所支持并预言了一种全新的宇宙演化图景。我们的论文2005年初发表之后在国内外掀起了研究w越过-1的暗能量模型的热潮。根据Slac-Qspires的检索统计，此文至今引用248次，另外四篇有关Quintom的论文分别引用了120次、171次、106次和86次。

基于天文观测数据（CMB+LSS+SN）开展数值计算、整体拟合分析来确定w是解开暗能量之谜的首要方法。CosmoMC是通用的一个软件包，但由于当w越过-1时，暗能量扰动方程存在奇异性，CosmoMC不能用来确定随时间变化的w。我们基于Quintom理论首次提出了一个处理动力学暗能量扰动的自洽方法，此论文入选《第一届中国百篇最具影响优秀国际学术论文》。然后我们修改了CosmoMC，并用这一新的程序对w做了整体拟合和分析。我们的结果对认识暗能量的物理本质有重要的指导意义。

2002年，我们在国际上首次提出了一个统一暗能量及Baryo-/Leptogenesis的模型。此模型预言了CPT对称性的破坏。2006年我们在国际上首次用美国WMAP卫星和BOOMERanG南极气球实验发表的最新数据分析，发现CPT对称性破坏的迹象。美国物理协会周刊《Physical Review Focus》为此作了专题报道。在以"Testing a Universal Symmetry"为标题的报道中，充分肯定了我们的工作："the Chinese team has performed "a nice measurement""。

主要发现点： 本项目包括以下三个核心发现点：

1）精灵（Quintom）暗能量模型（所属学科：大爆炸宇宙论、基本粒子物理学；代表性论文序号：【1】）：

研究暗能量是当前天文学和物理学的一个重要课题。 表征暗能量模型的重要量是状态方程参数w=p/ρ, 比如, 对于宇宙学常数(或真空能)它是-1; 对于Quintessence模型, 它介于+1和-1之间; 对于Phantom模型, 它小于-1. 由此用天文观测数据对w进行确定，对于研究暗能量是至关重要的。2004年利用Riess等人公布的157个超新星（SN）数据点来确定暗能量状态方程参数是宇宙学研究的一个热点。 我们【1】利用这一数据和宇宙年龄对状态方程参数进行了分析和拟合，发现有迹象表明w在今天是小于-1的，然而随着红移增大，w越过-1而变大。据此特征，我们研究了这一结果的物理意义。首先我们发觉当时文献中的暗能量理论模型都不能解释这一数据。由此，我们指出这一发现是对暗能量基本理论的重大挑战（No-Go定理）。进一步，我们提出了一个全新的暗能量理论，叫做Quintom来解释这一新现象。Quintom暗能量理论具有w越过-1的性质，为现有的观测数据所支持，并预言了一种全新的宇宙演化图景。

2）暗能量扰动理论及数值整体拟合确定暗能量状态方程（所属学科：大爆炸宇宙论、基本粒子物理学；代表性论文序号：【2】、【3】）：

确定暗能量状态方程是解决暗能量之谜的首要任务。其基本方法为：基于天文观测数据（CMB+LSS+SN），开展数值计算、整体拟合。CosmoMC是通用的一个软件包。由于当w越过-1时，暗能量扰动会出现发散，这就成为了参数拟合中的经典困难。基于我们提出的Quintom暗能量模型，我们系统的研究并解决了w越过-1时的扰动问题，并给出了一种在宇宙学参数整体拟合中处理暗能量扰动的自洽办法【2】。然后我们修改了CosmoMC，并用这一新的程序在上海曙光超级计算机上对暗能量状态方程及相关宇宙学参数做了整体拟合和分析【3】。我们的结果显示，最佳拟合值w越过-1，支持Quintom模型；在2σ范围内宇宙学常数可以很好地拟合目前的天文观测数据；动力学模型没有被排除，但大量相对应状态方程随时间变化快且偏离-1大的参数空间已被排除。这一结果对暗能量理论研究、暗能量模型构造有重要的指导意义。

3）宇宙学CPT破坏、Baryo-/Leptogenesis和CMB极化（所属学科：基本粒子物理学、大爆炸宇宙论；代表性论文序号：【4】、【5】、【6】）：

2002年，我们在国际上首次提出了一个相互作用暗能量模型。在这个模型中，暗能量场导数耦合到物质场上，实现了Baryo-/Leptogenesis【4】。这一模型统一地解释了宇宙加速膨胀和反物质丢失之谜，并预言了CPT对称性的破坏。2005年，我们用模拟的数据对CPT做了研究【5】。2006年，我们在国际上首次用美国WMAP卫星和BOOMERanG南极气球实验发表的最新数据分析，发现CPT对称性破坏的迹象【6】。

主要完成人： 张新民

主要从事粒子物理和宇宙学理论研究，至今已发表近百篇学术论文（其中70篇回国后完成），由Slac-Qspires查知，总引用3000余次。引用50次以上的22篇（其中17篇回国后完成）。1996年回国后，致力于暗物质、暗能量及粒子宇宙学相关问题的研究。同时培养了多名粒子宇宙学研究的青年工作者（研究生、博士后）。在本项目研究中，作为负责人，是主要学术思想的提出者，数值计算部分由学生冯波、夏俊卿、赵公博、李虹分别完成。参与本项目的工作量在60%以上。