中微子质量起源与宇宙的原初反物质消失之谜

<正>粒子物理学的标准模型建立于20世纪60～70年代,它在随后的半个多世纪经受住了无数次科学实验的检验,成为人类描述与理解各种强、弱和电磁相互作用现象最成功的理论工具.但是该模型也存在一些缺陷,比如它刻意回避了中微子质量及其起源的问题,也无法解答为什么可观测宇宙中不存在原初反物质但却存在大量暗物质的问题.在宇宙大爆炸之初所产生的反物质何以随着宇宙的膨胀和冷却而神秘地消失,以及其背后的动力学是否与中微子的质量起源机制存在某种关联,这是当今粒子物理学和宇宙学界普遍关心并深入探索的重大课题.理论研究表明,解释中微子质量起源之谜的"跷跷板"(seesaw)机制^[1]与解释宇宙原初反物质消失之谜的轻子生成(leptogenesis)机制^[2]可能是问题背后的答案.而连接这两个机制的桥梁就是超重的"惰性"马约拉纳(Majorana)中微子^[3]:它们在宇宙早期神秘地产生,与已知的"活性"中微子通过极其微弱的汤川(Yukawa)相互作用建立关联;它们的衰变则导致了宇宙的轻子与反轻子不对称,后者部分转化成宇宙的重子与反重子...     

呼之欲出的脑科学图景

宇宙起源和大脑研究是21世纪比肩的科学谜题。今年3月,欧航局根据"普朗克"太空探测器传回的观测数据,发布了迄今最为精确的宇宙地图,并对现有宇宙理论进行了修正,宇宙年龄也被重新确定为138.2亿年。无独有偶,在脑科学研究领域,一项叫做"大脑活动图谱     

到底何为元宇宙？

<正>听一下马克·扎克伯格(Mark Zuckerberg)或萨蒂亚·纳德拉(Satya Nadella)之类科技公司CEO的说法,元宇宙是互联网的未来。或者它是一款电子游戏,抑或可能是视讯软件Zoom的一个更为糟糕、极为不舒服的版本?答案很难说清楚。在某种程度上,讨论"元宇宙意味着什么"有点像在20世纪70年代探讨"互联网意味着什么"。一种传播的新形态的构建块正在被一块块砌起来,但没人真正知道现实是何等面貌。于是,尽管在20世纪70年代时,"互联网"正在降临的判断是正确的,但并非当时关于互联网面貌的每个想法都正确。     

星系红移巡天宇宙学——探索暗能量

宇宙时空的加速膨胀是20世纪自然科学最伟大的发现之一,探索其背后的物理机制是当前物理学和天文学的关键科学任务.在此研究领域,亟待解决的问题包括:(1)如何从海量观测数据中提取暗能量相关的核心信息?(2)暗能量是否具有动力学性质?(3)暗能量的本质是什么?暗能量研究的主要方法是联合多种探测手段,通过精准测量宇宙的膨胀率和结构形成来获取暗能量性质.大型星系红移巡天为暗能量研究提供了关键的数据支持.我们从巡天样本中提取重子声波振荡(baryon acoustic oscillations, BAO)和红移空间畸变(redshift space distortions, RSD)等重要的宇宙学探针,分别用于测量宇宙的膨胀率和结构增长率,开展暗能量研究.大型巡天项目斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey, SDSS)已成功获取了百万量级的高质量星系光谱,测绘了迄今为止最大的宇宙三维图像,并将宇宙距离测量精度提高到1%,在高精度暗能量检验中发挥至关重要的作用.本文主要介绍过去10年内国际上最大的星系红移巡天项目——SDSS三期的重子振荡光谱巡天(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, BOSS,2009～2014年)和四期的拓展重子振荡光谱巡天(extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey, eBOSS,2014～2019年),以及我们依托BOSS和e BOSS巡天开展暗能量研究方面的最新进展.     

D-维时空中的三次量子化

自Hartle和Hawking.Vilenkin在量子引力的框架中探讨宇宙的量子创生以来,量宇宙学已经历了3个发展阶段:(1)单个宇宙的量子理论,(2)Wormholes的机制及空间的拓变化,(3)多宇宙体系的量子理论,3次量子化-即宇宙量子场论.显然,研究这个时(≈10~(-43)S)宇宙的性质对我们完整地认识宇宙是十分重要的.     

在Einstein—Cartan理论中宇宙无毛猜想（CNHC）的验证

20世纪 80年代初Ｃｏｌｌｉｎｓ和Ｈａｗｋｉｎｇ在Ｅｉｎｓｔｅｉｎ引力理论框架中提出宇宙无毛猜想 (ＣＮＨＣ) :如果宇宙真空场 (即宇宙常数 )存在 ,所有各向异性Ｂｉａｎｃｈｉ时空演化都将渐近趋向ｄｅＳｉｔｔｅｒ时空 .如果这个猜想是对的 ,我们就能容易地明白为什么极早时期宇宙必然会发生暴胀 ,为何我们的宇宙经历暴胀后导致整体的各向同性和均匀性 .直至最近这个问题讨论还很热烈[1-3 ] .　　极早时期的宇宙 ,由于宇宙中所有粒子的自旋能和粒子总能相比较不能忽略 ,所以必须考虑自旋对引力及时空的影响 .为此我们必须根据爱因斯坦…     

数学是现实之根吗?

如果某些或所有的迫使我们考虑平行世界的数学被证明与现实有关,那么,爱因斯坦的著名疑问:"宇宙之所以如此,是否因为不可能存在另一个宇宙"会有一个明确的答案吗?19世纪晚期,当詹姆斯·C·麦克斯韦(James C.Maxwell)意识到光是一种电磁波时,他的方程显示光的速度应该是大约每秒30万公里。这个值与实     

地球系统科学(ESS)与网格(Grid)技术

地球系统科学的提出,极大地改变了人们的研究和思维方式,同时也成为促生网格技术的重要因素之一.本文通过研究认为,地球系统科学和网格技术都是复杂的巨系统,二者的结合将是21世纪的重要事件.网格技术将为20世纪遗留下来的世界性地球科学难题(如全球变化、地震预报和宇宙起源等)提供最有力的技术支持.     

一位命名"大爆炸"、但又反对"大爆炸"理论的天体物理学家弗雷德·霍伊尔

弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle,见图)是20世纪后半期最富于创造力、但也是最有争议的天体物理学家;他帮助解释了重元素的起源,而且取名为"大爆炸",以此嘲笑他激烈反对的关于宇宙起源的理论.弗雷德·霍伊尔不久前在他长期居住的英国伯恩穆思去世,享年86岁.     

宇宙论的对话:热大爆炸和暴胀宇宙

明子:我最近读到了19世纪英国著名诗人菲茨杰拉德(E.Fitz-Gerald)的诗句,"进入这个宇宙,却不知道自己源自何方,就像流水无奈地流淌."这些诗句使我这个学文学的学生对宇宙充满了好奇,同时对宇宙究竟是什么不免有些迷惘.今天特地向您这位宇宙学专家请教.     

暗能量和加速膨胀的宇宙

1998年发现的宇宙加速膨胀是当代科学中最重大的课题之一.理论上,宇宙的加速膨胀可能意味着当前宇宙中约三分之二的能量密度是由一种新的能量组分,即暗能量所提供的也可能意味着爱因斯坦提出的广义相对论在宇宙学尺度上需要修正.暗能量和修正引力这两种完全不同的物理机制可以给出完全相同的宇宙背景膨胀历史,但却预言不同的结构形成过程.因此,我们可以通过观测宇宙的大尺度结构形成和演化来区分这两种不同的物理机制,揭示宇宙加速膨胀背后的物理规律.宇宙大尺度星系巡天是研究宇宙加速膨胀机制的重要探针之一.基于星系巡天,我们可以通过测量重子声波振荡(baryonic acoustic oscillations,BAO)和红移空间畸变(redshift space distortions,RSD)两种特殊的星系成团属性,同时测量宇宙的背景膨胀和结构形成历史,进而分别开展暗能量性质以及引力研究.SDSS(Sloan Digital Sky Survey)三期的BOSS(Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)巡天是近期完成的世界最大规模的星系巡天.通过对10000平方度左右天区的观测,BOSS获取了近一百万条星系光谱.基于BOSS的观测,我们对暗能量和引力性质开展了深入研究,并发现了暗能量的动力学迹象.目前正在巡天的e BOSS(extended Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)项目以及后续的DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument)和PFS(Prime Focus Spectrograph)等大型巡天将在更高的红移、以更高的精度测量BAO和RSD,这将为宇宙加速膨胀机制的研究提供关键的观测支持.     

宇宙中铁以上的重核是如何合成的?

针对21世纪尚未解决的11个重大物理问题之三,即"宇宙中从铁到铀的元素是如何产生的?"进行了系统的阐述,包括问题提出的背景和重要性、主要研究内容、国内外进展以及将来的发展趋势.介绍了产生宇宙中比铁重的元素(简称为超铁元素)的几个主要核合成过程,并总结了相关的研究目标.目前,尚需要精确测量天体核合成路径上关键核素的质量、寿命以及相关核反应的反应截面或者天体物理反应率等核物理输入量;开展天体元素或者同位素丰度的观测研究,以及星际X和γ射线等的卫星观测;发展天体物理模型以及核物理理论模型,最终将可靠的核物理输入量、核天体物理理论模型和天文观测数据相结合,以探索和解决宇宙中超铁元素的来源问题.     

宇宙新观念

几个世纪来 ,天文学家一直凝视着夜空 ,追问宇宙为什么是这样 ?为什么我们居住的空间是 3维 ,而不是 2维、 1 0维或者 2 5维 ?为什么光速是如此之快而音速是如此之慢 ?为什么原子是如此得渺小 ,而恒星又是如此得硕大 ?为什么宇宙是如此得年老 ?我们的宇宙必须是这样吗 ?或者在其他地方 (宇宙 )情况会有所不同吗 ?仅仅一个世纪前 ,人们还认为银河系就是宇宙的全部。现在天文学家知道星系不过是散落在宇宙中的尘埃 ,而且真正要理解他们可能需要一个更广阔的宇宙———多重宇宙。例如 ,宾夕法尼亚大学的宇宙学家马克斯·泰格马克 (ＭａｘＴｅｇ…     

量子宇宙学和宇宙创生

将量子力学用于整体宇宙,宇宙学家希望窥视宇宙创生时刻。我们许多人遥望晴朗夜空而询问:"所有这些来自何方?"许多世纪以来,哲学家和神学家沉思默想的这个问题是科学研究所不可企及的。仅在本世纪我们才有足够精妙而严密的理论借以窥视宇宙极早期。运用爱因斯坦的广义相对论,将时间逆转,研究人员推断宇宙是在一个体积小、密度大、温度高的区域中出现的。     

宇宙里超导体化合物的合成

近来,超导化合物,其中包括钼-钾和铌-锡已成为宇宙冶金学研究的目标.大家知道,在近宇宙内,反应级数10~(-4)～10~(-6)d加速度的降低引力,是在宇宙条件下和地球上相区别的基本因素.无重量给结晶熔化过程及固态和液态金属相互作用产生极其重要的影响.这     

一个疯狂的宇宙

几个世纪以来 ,天文学家一直在研究宇宙中的星系和大尺度结构是如何形成的。在 2 0世纪后半叶 ,宇宙学家发现这些过程有一个见证者 ,它就是温度仅为几K的宇宙微波背景辐射 (cosmicmicrowaveback ground,CMB)———大爆炸的余辉。恰恰在物质形成结构之前 ,CMB遍布了整个宇宙。大约 1 0年前 ,科学家发现了CMB的有效温度存在着微小的变化 ,这为研究星系的早期形成以及之后的演化提供了重要的线索。现在 ,另一个观测证据显示 ,这些温度上的差异始于大爆炸之后大约 40万年。通过位于南极的射电望远镜———度角干涉仪 (DegreeAngularScaleI…     

理查德·泰勒(1929—2018)

正理查德·泰勒因发现夸克(宇宙中最基本的粒子之一)而获得诺贝尔物理学奖。2018年2月22日,出生于加拿大的实验物理学家理查德·泰勒(Richard E.Taylor)在加州斯坦福大学去世,享年88岁。1990年,他因发现宇宙中最基本的粒子之一——夸克——而获得诺贝尔物理学奖。他所任职的斯坦福大学宣布了他的死讯,但没有提及死亡的原因。20世纪60年代末,夸克的发现是物理学上一件惊天动地的大事。它为标准模型理论的发展铺平了道路,该理论是所有已知基本粒子和力的分类系统。"在发现夸克之前,我们已经知     

2002年度诺贝尔奖获得者简介

诺贝尔物理学奖 美国科学家戴维斯(R.Davis Jr)和日本科学家小柴昌俊,因在天体物理学领域尤其是对宇宙中微子探测的开创性贡献而共享2002年度诺贝尔物理学奖的一半;此项奖的另一半奖给了意大利科学家贾科尼(R.Giacconi),表彰他在天体物理学领域中因发现宇宙X射线源所做出的卓越贡献.他们的工作为科学家观测宇宙打开了两扇新的"窗口".     

QCD、大统一和宇宙年代

宇宙学的任务就是在大范围和长时间内研究时空,中心问题是在于选择切合实际的宇宙模型,阐明宇宙随时间演化的特征.在弗利德曼首先讨论的均匀和各向同性的宇宙模型中,宇宙是一个膨胀着的体系.这模型和观测数据是相符合的.另一方面,基本粒子物理学的量子色动力学(QCD)较成功地解释了强相互作用的实验现象,天体物理学家与宇宙学家把它应用到早期的     

WMAP:宇宙学研究的新纪元

2003年2月1日,美国科学家公布了威尔金森宇宙微波各向异性探测卫星(Wilkinson MicrowaveAnisotropy Probe,WMAP)关于宇宙微波背景在各个方向的分布图,精确展示了宇宙大爆炸后38万年(即目前宇宙年龄的三万分之一)时的宇宙物质空间分布,为研究宇宙的起源和演化提供了宝贵的观测资料.