项目 名称 提名 单位 宇宙微波背景辐射（CMB）检验基础物理的CPT对称性 中国科学院 提名单位意见： 宇宙微波背景辐射（CMB）实验开启了精确宇宙学的新时代。宇宙作为高能物理的天然“实验室”，高精度的CMB实验为检验高能微观尺度的物理规律及基本相互作用提供了不可多得的机遇。该项目组（张新民，李明哲，夏俊卿，李虹，陈学雷等）提出了用CMB偏振检验基础物理中具有重要地位的电荷共轭—宇称—时间反演（CPT）对称性的新方法，分析了CMB实验数据、首次测量了CMB偏振旋转角，并以此检验CPT对称性。美国物理协会周刊《Physical Review Focus》为此做了专题报道，称赞中国研究团队完成了一次“漂亮的测量”。 该项目组在这一领域做了大量系统性的研究工作，发表了多篇系列性的高质量论文。他们的方法受到了国内外理论和实验同行的高度关注和充分肯定，引领了此领域的后续发展。特别是大型CMB实验合作组如美国国家航空航天局（NASA）的WMAP卫星实验、欧洲空间局（ESA）的Planck卫星实验、位于南极的BICEP和QUaD、位于智利的POLARBEAR等地面CMB实验，都相继采纳了该项目组的方法，进行了CMB偏振旋转角的测量。 此研究属于宏观与微观相结合的交叉研究，对检验早期宇宙模型、研究CMB B模式偏振物理、精确检验粒子物理标准模型、探索普朗克标度新物理等都具有重大意义。这一成果是我国科学家在基础科学研究领域对基础科学前沿所做的一项重要的贡献。 提名该项目为国家自然科学奖 二 等奖。 项目简介： 该项目属于物理学中粒子宇宙学研究方向。 近年来，宇宙微波背景辐射（CMB）观测实验高速发展，WMAP、Planck等CMB实验开启了精确宇宙学的新时代。通过对CMB温度涨落与E模式偏振的观测，人们已经对许多重要的宇宙学参数作出了非常精确的测量，极大地深化了人们对宇宙的起源和演化的理解。另外，宇宙是高能物理的天然“实验室”，精确宇宙学也为人们利用高精度的宇宙学实验检验高能微观尺度的物理规律及基本相互作用提供了不可多得的机遇。尤其是CMB B模式偏振（B模功率谱：BB、TB、EB）对探测原初引力波、检验CPT对称性至关重要。 在粒子物理学研究中，分立对称性及其破缺的研究占据着重要的地位。1956年以来，宇称(左右)对称性P，电荷共轭对称性C和时间反演对称性T相继被发现存在破缺。但是，这三种分立变换的组合CPT 在粒子物理的标准模型中是严格的对称变换。CPT对称性有很多重要的推论，例如正反粒子的质量和寿命相等，电磁性质相反。因此，精确检验CPT对称性是检验粒子物理标准模型等基础物理的一个重要方法。另外，近年一些超出标准模型的普朗克标度新物理理论（如量子引力），预言了CPT对称性的破缺。所以，探寻CPT破缺是探索新物理的一条重要途径。几十年来，人们一直在不断地发展和运用扭摆、加速器等地面实验对CPT对称性进行检验。 与这些地面实验不同，该项目组研究宇宙学观测和实验开展对CPT对称性的检验。项目组围绕着CMB检验CPT对称性的方法和原理，CMB观测对CPT对称性检验的数据分析，以及对未来CMB偏振实验（如阿里原初引力波探测计划）的模拟和预言等课题进行了系统深入的研究，取得了具有国际影响力的研究成果，主要科学发现包括：提出了CMB偏振检验CPT对称性的新方法，并应用此方法对当时CMB实验进行数据分析，在国际上首次得到了CPT对称性破缺所导致的CMB偏振旋转角。首次系统研究了与之相关的CMB偏振旋转角的各向异性问题，进一步拓宽了CMB B模式偏振以及宇宙学CPT破缺动力学的研究领域。 该项目研究历时十余年，一共发表了21篇研究论文。5篇代表性论文他引292次（单篇最高132次）。代表性论文2在《Physical Review Letters》上发表后被美国物理学会（APS）的网络周刊《Physical Review Focus》以“Testing a Universal Symmetry”为题进行了专题报道，称赞中国研究团队完成了一次“漂亮的测量”（the Chinese team has performed “a nice measurement”）。这些工作吸引了国际同行的广泛关注，并引领了此领域的后续发展。之后，大型CMB实验合作组如美国国家航空航天局（NASA）的WMAP卫星实验、欧洲空间局（ESA）的Planck卫星实验、位于南极的BICEP和QUaD、位于智利的POLARBEAR等，相继采纳了该项目组的方法，进行了CMB偏振旋转角的测量，以此检验CPT对称性。该项目组的工作也吸引了著名的天文学和宇宙学家Joseph Silk（英国皇家科学院院士）、Marc Kamionkowski（物理学综述期刊《Physics Reports》的现任主编）等同行对相关问题作了进一步的研究。 客观评价： 项目组的【代表性论文2】在《Physical Review Letters》上发表后被美国物理学会（APS）的网络周刊《Physical Review Focus》以“Testing a Universal Symmetry”为题进行了专题报道（Phys. Rev. Focus 17, 21, https://physics.aps.org/story/v17/st21），称赞中国研究团队完成了一次“漂亮的测量”（the Chinese team has performed “a nice measurement”）。 项目组的系列工作吸引了国际同行的广泛关注，并引领了此领域的后续发展。WMAP卫星实验组在公布五年数据和七年数据时（见【代表性引文1,2】）都专门分析了他们的新数据对旋转角的限制，并在文章中单独列为一节进行论述（【代表性引文1】中第4节，【代表性引文2】中第4.5节），分别在多处引用了该项目组的三篇（【代表性论文1,2,3】）和五篇研究论文（【代表性论文1,2,3,4】与另一篇项目组论文）。比如代表性引文1中提到“几个组用WMAP 3年数据和BOOMERanG数据对旋转角进行了限制（Feng et al.2006; Liu et al.2006; Kostelecky & Mewes2007; Cabella et al.2007; Xia et al.2008）”，这里Feng et al.2006即【代表性论文2】，Xia et al.2008为【代表性论文3】。Planck卫星实验组在【代表性引文3】中，于多处引用了该项目组5篇论文（【代表性论文1,2】以及另三篇项目组论文）。WMAP和Planck都是空间CMB实验，为推动精确宇宙学起到了至关重要的作用。WMAP合作组获得了2010年的邵逸夫天文学奖、2012年的Gruber宇宙学奖以及2018年的基础物理突破奖。Planck组获得了2018年的Gruber宇宙学奖与邵逸夫天文学奖。 地面CMB实验组也做了类似的研究分析。QUaD组更新他们对旋转角的测量结果的论文（【代表性引文4】）中写道：“...但是已经被证明宇称破缺的相互作用是宇宙中重子数不对称问题的一个潜在解决方案，因为它们能成为膨胀宇宙中CPT破缺的标志[9]. 效应是通过对通常的电磁场加上一个陈-Simons项而产生的，这一项破缺了洛伦兹、宇称与CPT对称性[10,11]”，这里[9]与[11]分别为【代表性论文1，4】. POLARBEAR合作组在研究对CMB偏振旋转角的测量文章，即【代表性引文5】中提到：“在文献[65]中，两点实空间相关函数被用于探测各向异性的旋转（角）”，这里[65]即【代表性论文5】。 BICEP2与Keck Array合作组在分析他们最新数据对CMB各向异性旋转角的测量文章，即【代表性引文6】中一共引用了项目组的5篇论文（【代表性论文5】与另外四篇项目组论文）。其中提到：“现在已经存在CMB对宇宙双折射的各向异性的限制。文献[11]提出的对宇宙双折射各向异性的限制是基于对WMAP7数据中的TBTB trispectrum的运用，而文献[22-24]用的是两点相关函数”，这里[24]即为【代表性论文5】，[23]也是项目组论文。 英国著名宇宙学家Joseph Silk教授（英国皇家学院院士，2011年Balzan奖获得者）领导的小组做了类似的研究（Phys.Rev.D76, 123014，即【代表性引文7】），一共引用了该项目组6篇文章（即【代表性论文1,2,3,4】及另两篇项目组论文。尤其是对【代表性论文2】有多处引用。其中写道：“...但是可观测的CMB谱被改变为[16,20]….在[21]中，WMAP3测到的TT和TG功率谱与B03测的所有六种功率谱一起被用于整体拟合中，显示出一个非零的旋转角被探测到的温和迹象”，这里[20]即【代表性论文1】，[21]为【代表性论文2】。 著名宇宙学家Marc Kamionkowski教授（现为《Physics Reports》主编）在【代表性引文8】中提到：“使用当前数据的搜索已经将这种均匀的旋转角限制为不超过几度[8,9]”，这里[8]中的第一、三、四篇引文即【代表性论文2, 4, 3】。 代表性引文目录 【1】E. Komatsu et al., [WMAP Collaboration], Astrophys. J. Suppl. 180(2009) 330-376 【2】E. Komatsu et al., [WMAP Collaboration], Astrophys. J. Suppl. 192(2011) 18 【3】N. Aghanim et al., [Planck Collaboration], Astron. Astrophys. 596(2016) A110 【4】E. Y. S. Wu et al., [QUaD Collaboration], Phys. Rev. Lett. 102(2009) 161302 【5】P. A. R. Ade et al., [POLARBEAR Collaboration], Phys. Rev. D92 (2015) 123509 【6】P. A. R. Ade et al., [BICEP2 and Keck Array Collaborations], Phys. Rev. D96 (2017) no.10, 102003 【7】P. Cabella et al., Phys. Rev. D76(2007)123014 【8】M. Kamionkowski, Phys. Rev. Lett. 102(2009)111302 代表论文专著目录： 1. Gravitational leptogenesis and its signatures in CMB Physics Letters B，2005，620，27-32 Bo Feng, HongLi, Mingzhe Li, Xinmin Zhang 2. Searching for CPT Violation with Cosmic Microwave Background Data from WMAP and BOOMERANG Physical Review Letters，2006，96，221302 Bo Feng, Mingzhe Li, Junqing Xia, Xuelei Chen, Xinmin Zhang 3. Testing CPT Symmetry with CMB Measurements Astronomy and Astrophysics，2008，483，715-718 Junqing Xia, Hong Li, Xiulian Wang, Xinmin Zhang 4. Testing CPT Symmetry with CMB Measurements: Update after WMAP5 The Astrophysical Journal Letters，2008，679，L61-L63 Junqing Xia, Hong Li, Gongbo Zhao, Xinmin Zhang 5. Testing CPT symmetry with current and future CMB measurements The Astrophysical Journal，2015，799，211 Siyu Li, Junqing Xia, Mingzhe Li, Hong Li, Xinmin Zhang 主要完成人情况： 张新民，排名 1，研究员，工作单位：中国科学院高能物理研究所，完成单位：中国科学院高能物理研究所。1991年美国洛杉矶加州大学（UCLA）物理和天文系博士毕业，1996年回国工作，致力于粒子宇宙学相关问题的研究，其成果受到国内外理论、实验和天文观测同行们的高度关注、肯定和大量引用。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，申请者作为负责人是主要学术思想的提出者，提出了利用宇宙微波背景辐射检验CPT对称性的物理思想。见代表性论文【1,2,3,4,5】。 李明哲，排名 2，教授，工作单位：中国科学技术大学，完成单位：中国科学院高能物理研究所。李明哲贡献了主要的理论计算工作，推导出了CPT破缺情况下CMB功率谱的转换方程;提出了CPT对称性破缺诱导的CMB偏振旋转角的各向异性，获得了此各向异性对CMB功率谱的影响的解析结果。见代表性论文【1,2,5】。 夏俊卿，排名 3，副系主任，教授，工作单位：北京师范大学，完成单位：中国科学院高能物理研究所。夏俊卿在该项目中主要负责数据分析和模型参数整体拟合的工作，在代表性论文【2,3,4,5】中，利用当时最新的宇宙微波背景辐射的偏振观测数据，基于蒙特卡洛-马尔科夫链（MCMC）的技术，对于CMB偏振旋转角给出测量值。 李虹，排名 4，研究员，工作单位：中国科学院高能物理研究所，完成单位：中国科学院高能物理研究所。李虹在该项目中主要负责数据分析、理论模型及模型参数拟合的工作，见代表性论文【1,3,4,5】。 陈学雷，排名 5，研究员，工作单位：中国科学院国家天文台，完成单位：中国科学院国家天文台。陈学雷参与有关概念的分析、讨论以及对其中一些问题的分析和解释，见代表性论文【2】。 完成人合作关系说明： 第一完成人张新民自1996年受聘回国后，在中国科学院高能物理研究所建立了粒子宇宙学研究团队，组织和开展了粒子宇宙学中的宇宙微波背景辐射、早期宇宙、原初扰动产生机制、暗物质、暗能量以及物质-反物质不对称等多个重要方面的研究。张新民作为博士导师，分别指导第二完成人李明哲（1999年9月至2004年7月在读）、第三完成人夏俊卿（2003年9月至2008年7月在读）、第四完成人李虹（2003年9月至2006年7月在读）获得中国科学院研究生院博士学位，其后继续保持密切的学术合作关系。第五完成人陈学雷回国后在中国科学院国家天文台工作，在2005-2006年间与张新民研究团队保持了密切的学术交流与合作。项目的5篇代表性论文均为这些紧密的合作下完成的工作。 张新民作为项目负责人，是主要学术思想的提出者，提出了利用宇宙微波背景辐射检验CPT对称性的物理思想，并总体组织和协调项目研究。对本项目的重要科学发现作出了主要的贡献，见代表性论文【1,2,3,4,5】。 在项目完成过程中，具体合作关系如下： 1，李明哲贡献了主要的理论计算工作，推导出了CPT破缺情况下CMB功率谱的转换方程；提出了CPT对称性破缺诱导的CMB偏振旋转角的各向异性，获得了此各向异性对CMB功率谱的影响的解析结果。见代表性论文【1,2,5】； 2，夏俊卿，在该项目中主要负责数据分析和模型参数整体拟合的工作，在代表性论文【2,3,4,5】中，利用当时最新的宇宙微波背景辐射的偏振观测数据，基于蒙特卡洛-马尔科夫链（MCMC）的技术，对于CMB偏振旋转角给出测量值； 3，李虹，在该项目中主要负责数据分析、理论模型及模型参数拟合的工作，见代表性论文【1,3,4,5】； 4，陈学雷，参与有关概念的分析、讨论以及对其中一些问题的分析和解释，见代表性论文【2】。 合作方式为论文合著，合作成果为相应代表性论文。 完成人合作关系情况汇总表
序号 合作方式 论文合著 1 合作者 张新民（1） 合作时间 合作成果 Gravitational 证明材料 代表性论文1 备注 李明哲（2） 2004.01-2005.07 leptogenesis and its signatures in CMB 李 虹（4） 论文合著 张新民（1） 李明哲（2） 夏俊卿（3） 陈学雷（5） Searching for CPT violation with cosmic 2005.06-2006.06 microwave background data from WMAP and BOOMERANG 论文合著 张新民（1） Testing CPT 代表性论文2 2 3 夏俊卿（3） 2007.09-2008.03 Symmetry with CMB Measurements 李 虹（4） 论文合著 Testing CPT Symmetry with CMB Measurements: Update after WMAP5 Testing CPT symmetry 2014.01-2015.01 with current and future CMB measurements 代表性论文3 张新民（1） 夏俊卿（3） 2008.02-2008.04 李 虹（4） 张新民（1） 李明哲（2） 夏俊卿（3） 李 虹（4） 代表性论文4 4 论文合著 5 代表性论文5
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