提名2019年度国家自然科学奖项目公示

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】 。
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。
提名 2019 年国家自然科学奖项目公示
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。
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
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
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
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:///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】.