暗物质暗能量

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谖纪
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1 两暗一新机遇与挑战 973 项目启动会议吴岳良中国科学院理论物理研究所中国科学院卡弗里理论物理研究所中国科学院理论物理前沿重点实验室

2 两暗一新暗物质暗能量新理论现状和意义机遇与挑战基础与展望

3 现状和意义

4 我们每个人都曾有过仰望天空的经历和感受, 尤其在宁静的夜晚 : 仰望天空默默沉思总会自问 : 宇宙是由什么组成? 又是如何构成? 宇宙是怎么起源? 又是如何演化? 仰望天空

粒子物理学家已经发展出一个称为标准模型的理论 : 能解释数以百计的粒子和复杂的作用力世界万物不论从银河

5 所有已知物质都是由基本粒子组成希腊思想家恩培多克 ( Empedocles) 率先提出四元素说 : 陆地空气水火中国先哲认为物理世界的基本组成为五元素说 : 土木金火水空气水火土粒子物理学家已经发展出一个称为标准模型的理论 : 能解释数以百计的粒子和复杂的作用力世界万物不论从银河山川到分子都是由夸克和轻子构成的 6 种夸克如组成中子和质子的上下夸克 6 种轻子大家熟知的轻子就是电子 4 种传播子传递相互作用的粒子, 像光子等

6 分子原子核子质子中子

7 质子中子夸克 6 种夸克

8 所有已知物质都是靠基本作用力结合而成我们所生活的宇宙, 因为基本粒子的相互作用而存在, 这些作用力包括了吸引与排斥力衰变和湮灭引力在粒子之间有四种作用力 : 引力电磁力弱作用力强作用力世界上所有的力都可以被归纳成这四种相互作用力! 事实上, 任何你能想到的力摩擦力磁力万有引力原子核衰变等等, 都是由这四种基本相互作用力之一所引起的强作用力电磁力弱作用力

9 粒子天体宇宙学观察暗能量 Ia 型超新星红移宇宙微波背景辐射宇宙大尺度结构暗物质随着越来越多和越来越精确的宇宙学数据的获得, 暗物质暗能量存在的证据变得越来越清楚伴随着一系列更高精度的天文学观测实验的实施, 预示着宇宙学研究的黄金时代已经开启

10 现代宇宙学模型大爆炸宇宙组份暴胀 Universe 宇宙 Dark Energy 暗能量 ~70% Matter 物质 ~30% Dark Matter 暗物质 90% H (77%) Quark Matter 夸克物质 10% He (23%) 宇宙学模型 : 以大爆炸宇宙学标准模型为基础的暴胀暗能量暗物质夸克物质

11 可见宇宙物质和能量 Matter & Energy 黑暗宇宙普通物质 ORDINARY MATTER 电子 Electrons, 中子 / 质子 neutron/proton 原子 Atoms, 分子 Molecules, 水 Water, 土 Earth, 火 Fire, 木 Wood, 人 People, 星 Stars, 银河 Galaxy 暗物质 DARK MATTER??? 普通能量 ORDINARY ENERGY 化学能 Chemical, 太阳能 Solar 风能 wind, 水能 water 电能 electrical, 核能 nuclear, 引力能 gravitational 暗能量 DARK ENERGY???

12 宇宙起源和演化直到上世纪初, 爱因斯坦发展了广义相对论, 奠定了描述引力和宇宙的理论基础, 使得我们能真正开始探索宇宙的起源形成和演化规律, 广义相对论的创立对人类认识宇宙产生了革命性的变革爱因斯坦场方程物质和能量的分布决定宇宙的几何形状闭宇宙开宇宙平坦宇宙 Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker metric

从宇宙微波背景实验, 表明我们处于宇宙状态的几何简併点上 Lewis & Bridle 02 =

13 Closed 闭宇宙 Geometric Degeneracy Closed 闭宇宙 Open 开宇宙 Open 开宇宙平坦宇宙暗物质和暗能量在宇宙中所占的比例与宇宙的几何直接相关从宇宙微波背景实验, 表明我们处于宇宙状态的几何简併点上 Lewis & Bridle 02 = Ω b + Ω c WMAP5 only best fit LCDM 在宇宙平坦假设下 Assume flatness

今天 The model assumes a flat geometry, a new form of matter, something that

14 宇宙演化与暗物质暗能量的重要作用 A six parameter model agrees with virtually all cosmological measurements regardless of redshift or method. 今天 The model assumes a flat geometry, a new form of matter, something that mimics a cosmological constant, and a deviation from scale invariance ( =1, ~ 2.5-3σ). 大爆炸后 38 万年 ~ 13.7 亿年以前

宇宙演化与暗物质暗能量 Cosmological model (stuff+physics) 宇宙在不同时期的膨胀历史可帮助我们更好地理解暗能量物理 Expansion history at different ages helps to understand the physics of Dark energy. Model uncertainty BAO, 3 Gyr ago CMB 0.

15 宇宙演化与暗物质暗能量 Cosmological model (stuff+physics) 宇宙在不同时期的膨胀历史可帮助我们更好地理解暗能量物理 Expansion history at different ages helps to understand the physics of Dark energy. Model uncertainty BAO, 3 Gyr ago CMB 0.3 Myr Dark Ages Hubble constant: Cepheids, local SNe Ia Distant SNe Ia 2-9 Gyr ago Old H 0 ~11% Big Bang measurement uncertainty Dark Energy Dark Matter WMAP New H 0, ~5% w= /-0.10 Universe 300 Myr younger BAO SN More data, More realism Test Robustness

16 宇宙演化史表明 : 我们的宇宙是一个加速膨胀的宇宙宇宙膨胀模型 Dark Energy+Dark Matter High-z (Riess et al. 1998) SCP (Perlmutter et al. 1999) g Riess Need greater precision, longer history to understand Dark Energy! A more precise Hubble constant helps with this!

17 宇宙将来的演化与暗物质 & 暗能量密切相关

18 暗物质暗物质的存在已经通过星系的引力效应得到证实, 特别是光穿过星系时产生的引力透镜效应, 表明大量暗物质的存在暗物质是由什么组成的仍然是个迷, 甚至对于暗物质粒子的质量是多大, 仍在几十个数量级上无法确定暗物质被认为是笼罩 21 世纪现代物理学的一朵乌云, 它将预示着物理学的又一次革命星系旋转曲线引力透镜

19 暗能量暗能量的存在已通过对 Ia 型超新星宇宙微波背景等实验观测得到表明宇宙膨胀加速用普通物质和引力理论难以解释, 但暗能量的本质是什么并不清楚暗能量被认为是笼罩 21 世纪现代物理学的另一朵乌云, 预示着物理学的革命性的突破 Fainter SN Accelerating Decelerating 以真空暗能量为主 Flat Ω m = 0.3 (vacuum dominated) 无真空暗能量 Open Ω m = 0.3 (no vacuum) Ia 型超新星 Earlier times WMAP 宇宙微波背景观测

20 暗物质暗能量的理论研究和实验预研项目的科学意义暗物质暗能量可能出现革命性突破的基本科学问题 : 揭开暗物质暗能量之谜, 将是人类认识宇宙的又一次重大飞跃, 可能导致一场新的物理学革命为此, 需投资建设几项关键性的探测暗物质暗能量的重大实验装置, 包括地下和太空的粒子探测器和在南极建立大口径天文望远镜, 以取得第一手实验数据, 在国际竞争中处于主导地位创新 2050: 科学技术与中国的未来 (2009) ( 中国科学院战略研究系列报告 )

21 项目的现实意义和目标项目的现实意义和主要目标紧密结合实验观测, 基于对称性等基本原理和量子场论, 建立一个自洽的超越粒子物理和宇宙学标准模型能解释暗物质暗能量的新理论

22 机遇与挑战

23 天时 : 天时地利人和暗物质暗能量现代物理学的两朵乌云地利 : 空间探测卫星空间站地下探测深部国家地下实验室地面探测对撞机 LHC ILC 人和 : 国际国内科学家的共识政府部门的重视社会公众的关心

24 天时 1900 年, 开尔文 : There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement., Two small, puzzling clouds remained on the horizon 黑体辐射实验和迈克尔逊 - 莫雷实验热辐射物体能量随发光波长分布 : 维恩公式和瑞利一金斯公式分别在长波和短波与实验结果不符电磁相互作用与能量有关与物质和运动有关与真空有关 ( 以太说 ) 十九世纪物理学晴朗天空中的两朵乌云, 给物理学界带来了革命性变革, 导致新理论的发现量子论和相对论, 极大地推进了人类对物质世界的认识

25 天时暗物质和暗能量是二十世纪物理学和天文学晴朗天空中的两朵乌云世纪难遇的重大科学问题 : 理解暗物质和暗能量问题同样需要发展和建立新的理论, 一旦取得突破, 将带来一场重大的物理学和天文学革命与粒子物理和量子场论所涉及到的最基本的关键问题密切相关, 如真空和对称破缺机制, 新的基本粒子和物质形态引力相互作用与能量有关与物质和运动有关 ( 加速膨胀 ) 与真空有关 ( 宇宙常数 ) 量子引力物质时空统一理论人类对物质时空和宇宙的起源等基本问题有更深的认识

26 地利当今世界暗物质地下探测实验的地理分布图中国大陆 26

27 地下实验四川省锦屏山地形锦屏 II 水电站雅砻江锦屏深部地下实验室位置

28 四川省锦屏山地形示意图我国有条件建成世界上最大埋深的地下实验室四川锦屏山隧道

29 地面实验暗物质探测暗物质可能的微观解释暗物质的存在要求有超出标准模型的新物理暗物质直接产生 : LHC 对撞机许多新物理模型中自然要求存在稳定的弱相互作用的有质量粒子 (WIMP), 其相互作用和质量在电弱相互作用及相关能标附近在宇宙早期的大爆炸之后的演化中, 它们通过脱离热平衡和化学平衡而残留下来, 是宇宙中暗物质的一类可能的候选者

30 地面实验南极冰穹 -A 天文观测站 NATURE 报道中国天文学家注目南极以我国为主导的南极天文学研究受到国际科学界的广泛关注! NATURE SCIENCE 相继报道中国天文学家登上南极冰穹 A 南极冰穹 A 有可能是世界上条件最好的地面观测站址之一, 用于探测暗能量暗物质, 具备得天独厚的一些条件

南极 Dome-A 天文项目的优势 80 22 S 77 21 E 4091m 南极 Dome A 天文的优势 : 最佳视宁度 ( 边界层仅 9m)

31 南极 Dome-A 天文项目的优势 S E 4091m 南极 Dome A 天文的优势 : 最佳视宁度 ( 边界层仅 9m) 最佳大气透明度 ( 特别是 THz, IR) 最低的温度, 最小的风速, 最低降水量, 适于红外观测最长的连续观测时间地质稳定, 便于自适应光学修正 31

32 空间卫星平台我国现有的卫星平台完全能满足暗物质空间探测要求 1.2 吨的卫星平台是现成的上海微小卫星工程中心提出了暗物质粒子探测器与卫星平台一体化设计和面向载荷需求的高可靠卫星系统设计给出初步的轨道设计和卫星构形姿态控制电源星务管理高速数传测控等方案, 完全能够满足科学探测任务的需要

33 人和 : 形成共识暗物质和暗能量 : 现代物理学的两朵乌云! 2006 年, 美国 NSF( 自然科学基金会 ),NASA( 宇航局 ),DOE( 能源部 ) 联合成立了暗物质研究评估小组和暗能量研究评估小组, 并在 2007 年的报告中指出解决暗物质之谜的重要性尤为突出需要一个雄大的观测计划全力研究暗能量的性质 2002 年, 美国国家研究委员会由美国必须立刻加大投入 19, 保持领先地位美国国家研究委员会的最新报告声称名权威物理学家和天文学家联合执, 美国宇航局和美国能源部将把笔的报告中列出了新世纪要解答的暗能量合作计划 (JDEM) 作为超越爱因斯坦计划 11 个科学问题 : 的第一步来先行实施 2008 年, 欧洲推出了粒子天文学路线图 (14 个国家,19 个基金机构 ), 列举了 7 个重要领域 : 暗物质暗能量宇宙线中微子引力波宇宙是如何加速的?? 建议 10 年投资 10 亿欧元质子是稳定吗? 2009 年, 中国国家科技部批准暗物质暗能量的理论研究和实验预重元素合成? 研 973 项目, 中科院部署重要方向性项目, 清华大学交通大学等立项 33

34 人和 : 公众关注搜索暗物质获得约 247,000 条结果搜索暗能量获得约 973,000 条结果搜索暗物质暗能量获得约 227,000 条结果搜索 dark matter 获得约 56,500,000 条结果搜索 dark energy 获得约 49,800,000 条结果搜索 dark matter dark energy 获得约 4,040,000 条结果

35 实验方面 : 人和 : 形成队伍我国科学家对暗物质和暗能量的研究, 无论在理论模型和方法, 还是实验探测和技术方面都已迈出了重要的一步中科院紫金山天文台利用 ATIC 探测器发现高能电子能谱的超, 可能是暗物质湮灭有关, 结果发表在 2008 年 11 月 20 日的自然上入选美国物理协会和欧洲物理协会分别选出的 2008 年度世界物理领域重大研究进展也被评为 2008 年中国基础研究十大新闻中科院高能物理所多位实验物理学家参与了意大利 DAMA 实验组对暗物质的长期探测, 声称探测到了暗物质粒子的信号上海交通大学在暗物质直接探测的 XENON 探测技术方面已有基础清华大学在低本底低能量阈高纯锗探测器方面开展了长期研究理论方面 : 中科院理论物理所, 中科院高能物理所, 中科院国家天文台, 北京大学, 清华大学, 中国科技大学, 复旦大学等单位的研究人员提出了解释暗物质和暗能量的理论模型和机制, 做出了具有国际影响的工作在很多方面已有了长期的工作积累和研究结果我国已具备了开展这方面的理论研究和实验探测的基础以及实验所需的合适条件

36 暗物质研究基础 : 空间探测方面 PAMELA 卫星发现正电子能谱在高能区反常增大 Nature, 456, 2008, ATIC 气球发现正负电子能谱在 600GeV 高能区有明显超出

暗物质实验研究基础 : 直接探测 ( 地下 ) 方面 Spin independent cross section [cm 2 ] 10 41 Baltz Gondolo 2004 Roszkowski et al. 2007 95% CL Roszkowski et al.

37 暗物质实验研究基础 : 直接探测 ( 地下 ) 方面 Spin independent cross section [cm 2 ] Baltz Gondolo 2004 Roszkowski et al % CL Roszkowski et al % CL CDMS II 1T+2T Ge Reanalysis XENON CDMS II 2008 Ge CDMS II Ge combined XENON WIMP mass [GeV/c 2 ] DAMA 实验组报道观测到正面信号直接探测上限进入 cm 2 37

38 暗物质理论研究与新物理唯象新物理模型暗物质构造 : 唯象学限制要求的对称性最小超对称模型 (R- 宇称 ) 额外维度模型 (KK- 宇称 ) 利用理论自身对称性空间反演对称性和正反粒子变换对称性加入新对称性构造暗物质额外分立对称性弱相互作用大质量粒子 (WIMP): 湮灭过程耦合强度是电弱相互作用质量在电弱能标附近其他候选者 : 轴子 (axion), 超弱相互作用的大质量粒子 (superwimp)

39 基础与展望

40 课题设置课题一 : 暗物质的理论研究及相关新物理唯象周宇峰课题二 : 暗物质的空间探测实验研究常进课题三 : 暗物质的地下探测的前沿技术预研课题四 : 暗物质吨级液氙探测器的预研课题五 : 暗能量的理论研究和地面探测方案研究胡红波季向东蔡荣根总体学术思路 : 一. 发挥理论先行, 理论与模拟相结合对实验给予指导二. 从地下地面到空间多种手段, 互为补充, 构成有机整体 40

41 五个部分之间的关系图 41

42 本项目集中了国内在暗物质和暗能量领域的主要优势单位, 而组成的一个跨学科的研究队伍有开展暗物质和暗能量理论研究需要具备的坚实理论基础, 包括粒子物理理论引力理论超弦理论等基本理论有加速器和探测器建造和相关技术及国际合作的丰富经验长期参与了 ATIC 与 DAMA 及 XENON 等实验组的研究, 取得了重要成果, 积累了丰富的经验

43 有一支强的研究队伍中科院院士 1 位研究员 / 教授 36 人副高级及中级职称研究骨干 18 人国家杰出青年基金获得者 7 人百人计划入选者 2 人长江学者 2 人中科院理论物理研究所中科院紫金山天文台中国科技大学中科院上海应用物理研究所中科院高能物理研究所中科院国家天文台上海交通大学中国原子能科学研究院 43

44 我国开展暗物质暗能量研究特色 1 充分利用锦屏山和南极冰穹 A 的有利地理优势 2 独特的空间探测器技术 3 多学科的交叉融合, 理论与实验紧密结合 4 国内多个优势单位的强强联合和通力合作

45 暗物质空间实验探测暗物质产生的超有很陡的下降天体产生的超下降缓慢能量分辨本领是关键达到 1.5% 区分暗物质 / 特殊天体 45

46 暗物质地下探测暗物质地下实验的发展趋势低本底 ( 更深 ) 吨级质量 ( 更大 ) 暗物质的作用截面非常小探测器能逐个事例鉴别本底需要更深的地下实验室 ( 大于 6000 米水当量 ) 46

47 论研究研究目标受实验的检验理利用对称性量子场论等基本原理构造暗物质模型研究 WIMP 暗物质的起源, 湮灭及衰变过程等对暗物质进行直接和间接的实验探测在大型强子对撞机 (LHC) 上寻找暗物质粒子建立超越粒子物理标准模型包含暗物质的更基本理论, 给实验测量提供理论依据, 并接

48 展望暗物质问题起源于天文观测, 其最终解决则依赖于物理学与天文学的结合, 它应该是天文学与物理学的交叉与融合暗物质研究的发展趋势必将从天文观测转向对暗物质粒子性质的实验探测从现在开始的十至二十年将是暗物质探测的最重要和关键的时期在暗物质暗能量国际重大前沿研究领域, 我国科学家应该有所作为只要大家齐心协力优势互补通力合作努力拼搏, 充分用好天时地利人和, 我们完全有信心经过这个项目五年的支持, 做出跨越式的发展

49 结束语两暗一新迎接挑战! 十年太久只争朝夕!

50 THANKS