自然界曾被认为是简单、对称的。1956年，李政道与杨振宁提出弱相互作用中的宇称不守恒，并获得诺贝尔物理学奖。既然对称性在微观尺度被完全破坏，那么在宏观的宇宙呢？宇宙早期微观尺度的对称性破缺（parity violation）会不会在今天的天体物理尺度上留下可观测的印记？为了解答这些令人好奇的问题，研究团队试图通过宇宙大尺度结构来重构宇宙早期可能出现的对称性破缺，如手性（chirality）不对称、螺旋性（helicity）不对称。宇宙大尺度结构是观测到的星系在宇宙空间中的三维分布。星系在空间的数密度对应宇宙早期的原初密度扰动。然而，为测量不对称性，需要一定数量的自由度。密度场是标量场，其仅有一个自由度，不足以携带任何手性和螺旋特征。幸运的是，人们不仅观测了数百万个星系的位置分布，还观测了它们的角动量。这些星系的角动量场是矢量场，有三个自由度，携带了额外的大尺度结构及早期宇宙的信息。因此可以通过观测星系角动量来研究宇宙早期的结构和不对称性。如何观测星系角动量 —— 图(a)：通过观测盘星系（薄盘近似）在天空的投影椭圆可以推测出星系旋转的角动量方向的四种可能性。为消除这四种角动量方向的简并，还需要观测旋涡星系的旋涡“缠绕”方向，分别为“S”型或“Z”型，以及星系盘的颜色梯度，如图(a)所示。绝大多数星系向旋臂“凸”的方向旋转，且在远离观测者的方向呈现更多的尘埃消光（颜色偏红）。另外，谱线的Doppler效应也可以测量星系的旋转方向。图(a)橙色箭头表示了星系的角动量方向，红色/绿色箭头表示沿视线平行/垂直方向的角动量方向。三维矢量场如何携带螺旋特征 —— 螺旋性是矢量场与其自身的旋度的平行性的性质。若矢量场反平行于其旋度，或二者的内积为负，则称左旋，反之为右旋（DNA双螺旋为右旋，大多数海螺、螺丝钉为右旋，右旋的镜像为左旋）。在数学上可以将矢量场分解为与其旋度反平行（左旋）、平行（右旋）和垂直（散度）的三部分。其中散度部分是人们熟悉的E（电场、标量）模式，而左旋和右旋的和是人们熟悉的B（磁场）模式。在Fourier空间求解旋度算符（▽×）的本征方程，得到三个本征值和本征矢量，并构成对应的投影矩阵。这三个投影矩阵可将原矢量场分解为E模式、左旋和右旋模式。后两者在Fourier空间振幅（功率谱）的统计不对称是螺旋性的体现。在Fourier空间k标量的螺旋功率谱不违反宇宙学原理，即矢量场满足均匀和各向同性。重构早期宇宙的信息 —— 为了回答早期宇宙结构的问题，需要观测那些与原初宇宙结构的信息线性相关的观测量。太小尺度的恒星、行星甚至世间万物，都经历了高度非线性的过程，与宇宙早期的结构相关性很低；宇宙微波背景辐射、星系分布和大尺度结构仍然包含宇宙早期结构的信息。星系的旋转方向和其所在的暗物质晕（dark matter halo）的角动量方向高度相关，而暗物质晕在Euler空间和Lagrangian空间（即宇宙初期的protohalo）也呈现角动量方向的高度相关，而后者可以很好地被宇宙早期的潮汐扭动理论（tidal torque theory）描述。所以，在Lagrangian空间的星系角动量是早期宇宙结构的探针。 潮汐扭动（tidal twist）—— 星系分布可重构宇宙原初密度场。研究团队提出利用密度（潮汐）场信息重构原初角动量信息（spin mode reconstruction），并验证了其与星系/暗物质晕的可观测角动量的相关性。潮汐场，即密度场的逆Laplace算子的Hessian矩阵。图(b-e)中展示了二维空间的宇宙中潮汐与星系角动量的联系，其中用椭圆的长轴和短轴表示潮汐张量的两个本征轴，椭圆的大小对应于相应（平滑）尺度的潮汐。(b)中各向同性且不依赖于尺度的潮汐场导致球（圆）塌缩，不产生角动量；(c)中各向不同性、但尺度无关的潮汐导致椭圆塌缩，不产生角动量；(d)中不同尺度潮汐场的本征轴（绿色箭头表示潮汐主轴）随尺度变化，大尺度的潮汐场扭动小尺度的原星系（protogalaxy），产生角动量spin mode，并在(e)中的宇宙纤维结构（cosmic filament）中形成两个角动量相反的星系。(d1,e1)和(d2,e2)互为镜面反演；这种奇宇称（parity-even）的可观测量可被原初偶宇称（parity-even）的密度场（标量）及潮汐场（对称张量）预测，因此这个可观测的角动量也是早期宇宙的探针。早期宇宙的宇称破缺可能会通过这种spin mode携带到今天星系的角动量场。Yu, Hao-Ran et al. 的Conclusion and discussion中及相关参考文献给出了可能的对称性破缺机制。此项研究以“Probing Primordial Chirality with Galaxy Spins”为题于2020年3月10日发表在《物理评论快报》上【Yu, Hao-Ran et al. Physical Review Letters, 124,101302(2020)】。本文第一作者和通信作者为于浩然，他于2017年7月至2019年11月在李政道研究所天文与天体物理研究部任博士后研究员。在此期间，他主导的“中微子的非线性成团及宇宙大尺度结构”等3个科研项目先后获得博士后科学基金、基金委青年科研基金的支持。自博士后出站后，于浩然至厦门大学任天文系副教授、南强青年拔尖人才计划支持的特任研究员、博士生导师。另外合作参与此项研究的还有：加拿大理论天体物理中心教授、李政道研究所高级访问学者彭威礼(Ue-Li Pen)，以及上海交大物理与天文学院的特别副研究员余瑜，特聘教授、李政道研究所兼职研究员杨小虎，讲席教授、李政道研究所天文与天体物理研究部主任景益鹏院士等。此项工作得到了国家自然科学基金青年科学基金项目NSFC11903021的支持。文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.101302

对2009-2017年EHT合作组观测结果的分析揭示了M87*黑洞图像的湍流演化 2019年，EHT（Event Horizon Telescope）合作组发布了黑洞的第一张照片，揭示了M87 * ——M87星系中心的超大质量物体。利用去年的经验，EHT合作组分析了2009-2013年积累的数据，其中有一些数据还是尚未对外发布的。这项分析揭示了黑洞外观多年以来的变化，表明新月形阴影特征的持久性，以及其方向的变化，即新月形状似乎在摇摆。该工作的完整结果发表在9 月23日的《天体物理学杂志》上。 近日新入职的李政道学者Yosuke Mizuno是EHT合作组中理论与模拟工作组的项目负责人。他对磁化吸积流进行了3D GRMHD模拟，并通过广义相对论辐射传导计算创建了黑洞阴影图像，以开发模拟和图像库，并使用该库对EHT观测数据进行比较。 M87第一个EHT观测结果发表在《天文物理学杂志快报》上 (paper V: Physical Origin of the Asymmetric Ring)，他是该论文的主要作者之一。 关于该工作的完整描述详见EHT官方网站：https://eventhorizontelescope.org/blog/wobbling-shadow-m87-black-hole

Einstein's theory of general relativity – the idea that gravity is matter warping spacetime – has withstood over 100 years of scrutiny and testing, including the newest test from the Event Horizon Telescope collaboration, published today in the latest issue of Physical Review Letters.  According to its findings, Einstein's theory just got 500 times harder to beat.  Despite its successes, Einstein's robust theory remains mathematically irreconcilable with quantum mechanics, the scientific understanding of the subatomic world. Testing general relativity is important because the ultimate theory of the universe must encompass both gravity and quantum mechanics.Yosuke Mizuno, who joined TDLI as a T.D.Lee Fellow recently, is the Theory & Simulation Working Group Coordinator in EHT. He has performed 3D GRMHD simulations of magentized accretion flows and created black hole shadow images by general relativistic radiation transfer calculation to develop simulation & image library which use the template for the comparison of EHT observational data. He is one of the leading author of first EHT M87 collaboration paper, paper V: Physical Origin of the Asymmetric Ring (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0f43).Please refer EHT press for full story of it.EHT press: https://eventhorizontelescope.org/blog/einsteins-description-gravity-just-got-much-harder-beat-0

由上海交大主导的PandaX-II液氙暗物质探测实验最近公布了暗物质和核子自旋相关作用的最新研究结果。该结果在《物理评论快报》上作为编辑推荐于近日发表。大量天文和宇宙观测证据表明，构成宇宙质量的27%是一种全新未知的物质，被统称为暗物质。主流理论认为，暗物质很有可能是由一类被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP）的粒子组成。WIMP和原子核的相互作用通常可以分成自旋无关和自旋相关两种。在这两种作用下，WIMP分别和原子核质量和原子核自旋发生耦合。PandaX-II实验采用了500公斤液氙作为靶核来探测暗物质。在自然氙的9种稳定的同位素中，有七种原子核总自旋为零，两种的自旋不为零，其中，Xe-129（自旋=1/2）和Xe-131（自旋=3/2）的天然丰度分别是26%和21%左右。因此，PandaX-II实验对WIMP和原子核的两种相互作用都可以探测。PandaX-II实验2016年7月公布了首批99天的观测结果，其数据量相当于利用3.3万公斤的氙原子观测1天。这批数据对自旋无关的作用截面给出了暗物质直接探测领域当时世界最强的限制，文章已经于去年9月在《物理评论快报》上以封面文章发表。利用同样的数据，PandaX-II合作组对自旋相关的暗物质散射开展分析，在大于10GeV的WIMP质量区间得到了直接探测实验中对WIMP-中子自旋相关作用截面的世界最好的限制。这些结果和加速器上的实验优势互补（通常对低质量区间结果更优），强烈限制了暗物质粒子的新物理模型。PandaX-II同时也对WIMP-中子和WIMP-质子的有效作用强度的组合给出了最新限制，和其他类型的暗物质探测实验（比如PICO，采用氟作为靶核）优势互补。上海交通大学符长波特别研究员为该论文的第一作者。通讯作者为上海交通大学杨勇特别研究员和山东大学燕斌斌博士生。PandaX实验受到教育部、上海交通大学、中国锦屏地下实验室以及其他合作单位的大力支持。科技部、中国自然科学基金委，以及上海市科委和香港鸿文基金会都对PandaX项目有重要资助。            文章链接：http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.071301

北京时间8月8日凌晨，上海交通大学鸿文讲席教授，“熊猫计划”（PandaX）项目负责人季向东博士在美国俄亥俄州哥伦布市举办的2017年度国际高能粒子天体物理大会（TeVPA 2017）上宣布了“熊猫计划”项目合作组最新暗物质探测实验结果：该项目在高达54吨•天的国际最大曝光量下，得到了暗物质与核子的碰撞截面小于6×10-47cm2的限制，再次刷新了对暗物质粒子性质限制的世界纪录。这是“熊猫计划”继2016年7月发布580公斤级探测仪的首个探测结果后，第二次发布国际最灵敏暗物质探测结果。在过去的一年里，通过对该探测仪进一步降低噪音和长时间的运行，使对暗物质和普通物质相互作用的探测灵敏度提高了4倍多。TeVPA是每年一度的粒子天体物理领域的最重要国际会议之一，吸引世界主要相关实验组和顶级学者参加。在哥伦布的会有350多位学者参加，季向东是大会主要邀请报告人之一。暗物质是宇宙中不参与“电磁”和“强”相互作用的全新未知物质，是普通物质的五倍多。揭开暗物质微观粒子本质是二十一世纪物理与天文学最重要的科学目标之一。根据目前的主流理论，暗物质很可能是一种超出粒子物理标准模型的“弱相互作用重粒子”，可以通过检测它与普通物质相互作用的信号进行直接探测。上海交通大学主导的“熊猫计划”使用液氙作为探测仪靶材料，在2014年完成120公斤级“熊猫一期”探测仪的基础上，自主研制了580公斤的“二期”探测仪。后者是目前国际上最大的暗物质直接探测仪器之一，自2015年11月起在四川凉山州地下2500米深的锦屏地下实验室中运行。该实验场所由清华大学和雅砻江流域水电开发有限公司共同开发，雅砻水电参与了“熊猫计划”项目的建设。“熊猫计划”二期合作组成员还包括了来自北京大学、山东大学和中科院应用物理研究所等单位的科研人员。     暗物质探测的国际竞争非常激烈，所有实验合作组都期望率先发现暗物质粒子的信号。已经结束运行的美国LUX合作组在2017年1月正式发表250公斤级探测仪过去四年运行的最终数据，超过了“熊猫计划”在2016年7月发表的世界最灵敏探测结果。位于意大利的XENON1T是目前世界上运行中最大的暗物质探测仪，探测区域的液氙达两吨。该实验合作组于今年5月公布了首个结果，其灵敏度又超越了LUX。“熊猫计划”二期探测仪的体量虽然不到XENON1T的三分之一，但凭借探测仪优质独特的性能，经过近半年的持续稳定运行，合作组得到了超越XENON1T的最新探测结果，再次领跑暗物质直接探测的灵敏度。     为了取得这样领先的探测成果，“熊猫计划”二期合作组在2017年初对探测仪进行了重要的灵敏度升级工作，将实验中的放射性“噪声”降低至原来的三分之一。项目组成员放弃春节等节假日，争分夺秒，长期坚守地下实验室工作岗位，直到本阶段数据采集于7月17日结束。为了尽快发布探测结果，上海交通大学的刘江来教授带领多位研究人员夜以继日完成数据的分析工作。 目前，“熊猫计划”二期探测仪的灵敏度已经深入到“弱相互作用重粒子”理论预言暗物质粒子存在的参数空间，即暗物质粒子质量以及它们同普通物质相互作用强度的可能区域。目前的实验探测距离全面覆盖参数空间的核心区域，还需要一到两个数量级的灵敏度改善。国际上几个主要的探测团队都努力在激烈竞争中取得优势地位。“熊猫计划”二期探测仪需要在现有基础上将体量升级，同时必须通过技术创新进一步降低本底噪声，力争领跑探测灵敏度，率先取得重大探测成果。     “熊猫计划”二期得到了科技部“十三五”重点研发专项、国家基金委重点项目、教育部科技司、上海市科委、上海交通大学、雅砻水电、香港鸿文基金会，以及中国锦屏地下实验室的资助与支持。  来源：上海交通大学新闻网 原文：中国“熊猫计划”项目组发布对暗物质粒子性质测量的最强限制

上海交通大学季向东和刘江来教授领导的PandaX-II合作组最新的暗物质探测结果于2017年10月30日以“编辑推荐”文章在《物理评论快报》发表【Phys. Rev. Lett. 119, 181302】。该结果由季向东于今年8月8日在国际粒子天体物理大会上公布，8月24日投稿，9月20日被《快报》正式接受。基于目前世界上公开报道的最大的暗物质探测曝光量（54吨·天），PandaX-II给出的最低暗物质与质子、中子的自旋无关相互作用截面上限为8.6×10-47cm2（对应暗物质质量为40GeV/c2），并在暗物质质量大于100GeV/c2的大质量区间给出了目前国际上最强的测量限制，以高置信度排除了暗物质粒子与普通物质通过传递标准模型粒子相互作用的可能性。该结果比PandaX-II于2016年发表的当年最好结果的探测灵敏度提高了三倍。PandaX-II的国际竞争对手、意大利的XENON1T实验的首个结果（今年5月公布）也被发表在同一期的《物理评论快报》上。费米实验室的理论天体物理部主任DanHooper教授为PandaX-II和XENON1T的最新文章写作了“观点”（Viewpoint）评论，是该期刊最高规格的评论系列。PandaX实验使用液氙作为探测器靶材料，在2014年完成120公斤级PandaX-I探测器的基础上，自主研制了580公斤的PandaX-II探测器，这是目前国际上最大的暗物质探测器之一，正在四川凉山州地下2500米深的中国锦屏地下实验室中运行。暗物质探测的国际竞争非常激烈，所有实验组都期望率先发现暗物质粒子信号。已经结束运行的美国LUX合作组在今年1月发表过去四年运行的最终结果（见附图粉红线），超过了PandaX-II在2016年取得的世界最灵敏探测结果（见附图蓝线）。位于意大利的XENON1T是目前世界上运行中的最大的暗物质探测器，该实验合作组于今年5月公布了首个结果（见附图黑线），再次刷新世界纪录，但如今在三个月后又被中国体量仅为其三分之一的PandaX-II反超。目前PandaX-II的灵敏度已经深入了“弱相互作用重粒子”理论预言暗物质粒子存在的参数空间。PandaX-II团队在2017年初对探测器进行了升级工作，将实验中的放射性本底降低至原来的三分之一。为了改善探测器性能，团队里多位研究人员长期在地下实验室工作，春节等节假日也没有休息。PandaX-II本期数据采集自2017年4月22日开始，至2017年7月15日结束，获得了77.1天的数据。加上首期获取的79.6天数据,PandaX-II总共的暗物质探测数据曝光量达到54吨·天，是目前世界上报道的最大的暗物质探测数据曝光量。这一阶段数据采集结束后，团队里多位研究工作者夜以继日完成了数据分析工作，在分析方法上采用了多项改进，利用多种刻度数据对探测器响应开展了细致的研究。最终筛选出177个低能散射事例，但没有一个符合暗物质散射的甄别条件，因此得到了暗物质和质子中子相互作用的最新上限（见附图红线）。本研究工作得到了上海交通大学985三期建设、国家自然科学基金、科技部重点研发计划和上海市科技办公室的资助，并得到了李政道研究所、中国锦屏地下实验室、雅砻江流域水电开发有限公司、中科院粒子物理前沿卓越创新中心、以及香港鸿文基金会的支持。 

2017年11月1日，《物理评论快报》在线发表了上海交大牵头的PandaX-II实验在轴子（axion）探测方面的最新结果 (同一期的《快报》也发表了PandaX-II54吨天的WIMP暗物质探测结果)。实验未发现轴子的踪迹，从而进一步压缩了轴子所可能存在的参数空间。轴子是理论物理学家为了合理解释强相互作用中CP守恒而提出的一种玻色子。同时轴子及一些类轴子粒子（axion-like partiles, ALP）也能作为暗物质的一种候选粒子，因此目前国际上有很多合作组正在进行轴子的搜索。根据理论预测，轴子可能存在与电子的耦合，从而能够将自己的全部能量转移给电子。实验物理学家通过测量这些意外获得能量的电子的信息，便能够确定轴子的质量和同电子的耦合常数。PandaX-II是目前世界上正在运行的最大的地下暗物质探测实验之一，实验采用高纯氙为探测介质，在千电子伏特能区的稀有事例的探测上具有极高的灵敏度。在这次的数据分析当中，PandaX-II采用了大约80天的数据量就获得了国际同类实验中最为领先的结果。该结果将千电子伏能量区域内，来自太阳的轴子与电子间的耦合常数限制在小于4.35×10-12的范围内，而星际类轴子粒子的耦合常数则限制在1×10-13以下。PandaX-II对太阳轴子-电子耦合常数的上限（上图红线）这是PandaX-II实验第四篇发表在《物理评论快报》上的文章。随着实验的继续运行，PandaX合作组将积累更多的数据，取得更多的成果。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.181806

美国物理学会（APS）的在线杂志《物理》（Physics）于2017年12月18日公布了2017年国际物理领域内的亮点成果，“暗物质还未被观察到”位列八个亮点之一。我国的PandaX-II实验、欧洲的XENON1T实验和美国的LUX实验为这个研究亮点做出了贡献。文章评论道：“最为流行的暗物质理论认为暗物质是一种弱相互作用重粒子WIMP，……，在过去的16个月里，世界上最大的三个暗物质探测器（PandaX-II，LUX，XENON1T）还没有在理论预期的质量范围内观察到WIMP。”（链接：https://physics.aps.org/articles/v10/137）上海交通大学季向东与刘江来教授领导的PandaX-II合作组（包括北京大学，山东大学等）研制了580公斤级的液氙暗物质探测器，于2016年3月开始在中国锦屏地下实验室运行，同年9月在《物理评论快报》以封面文章发表了2016年世界最灵敏的暗物质与普通物质作用上限，文章至今已被引用300余次。已经结束运行的美国LUX合作组在2017年1月发表过去四年运行的最终结果，灵敏度超越了PandaX-II。位于意大利的XENON1T实验于今年5月公布了首个结果，再次刷新对暗物质限制的世界纪录。PandaX-II又在今年8月发表2017年度的探测结果，其灵敏度再度国际领先。PandaX-II和XENON1T的结果在11月3日同时在《物理评论快报》上以“主编推荐”论文发表（链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.181302），并被《物理》以最高规格的“观点”（Viewpoint）评论报道（链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/Physics.10.119）。自2013年开始，《物理》开始评选国际物理学年度研究亮点。在过去的几年里，中国物理学界入选的成果包括北京谱仪-III观察到四夸克态的粒子（2013）和中科院物理所首次找到外尔费米子（2015）。

物理与天文学院粒子与核物理研究所高俊特别研究员与合作者受邀在《Physics Reports》（5年影响因子为22）杂志上发表长达170页的综述文章《The Structure of the Proton in the LHC Precision Era》。质子结构的研究代表了迄今为止人们对物质最深层次结构的认知，其对实验上进一步探索更高能区的新物理有着重大的意义，例如通过欧洲核子研究中心的大型强子对撞机实验或是未来的超级质子对撞机实验。在文章中高俊与两位来自欧洲的合作者详细讨论了在量子色动力学共线因子化方案下通过全局拟合来抽取质子内夸克和胶子分布函数的方法、以及最新前沿的一系列进展。  上海交通大学粒子物理理论研究团队在质子结构方面的研究有着广泛的国际影响力。2017年美国物理学会评选的物理学年度亮点成果之一就是关于质子自旋的工作，这是基于季向东教授多年来提出及大力推动的量子色动力学有效理论方案。高俊研究员于2016年加入上海交通大学粒子物理理论研究团队，迄今共发表了40余篇论文，其中包括1篇Physics Reports，6篇Phys. Rev. Lett.论文。

近期，上海交通大学物理与天文学院博士后成千业及其合作者在《物理评论快报》［PRL., 120, 181801 (2018)]上发表了题为“Novel Soft-Pion Theorem for Long Range Nuclear Parity Violation”的论文，以极大简化在格点量子色动力学的框架下对强子宇称破坏耦合常数的计算。宇称是自然界中的基本对称性之一。1956年，李政道和杨振宁提出弱相互作用中宇称不守恒，随后于吴健雄领导的小组在钴60的 衰变实验中得到验证。对弱相互作用的研究最终导致了粒子物理标准模型的建立。标准模型迄今已经得到了众多精确检验，寻找超出标准模型的新物理是当今粒子物理研究的主要目标之一。由于标准模型在树图阶不存在味道改变的中性流，奇异数守恒的弱中性流便成为标准模型中尚未得到实验验证的一角，而对同位旋改变 的核子-核子相互作用中的宇称破坏的实验测量则提供了对其验证的重要手段。目前，美国橡树岭国家实验室的散裂中子源上正在进行一个名为NPDGamma的实验，能够达到前所未有的精度，从而测量出 的核子-核子- 介子的宇称破坏的耦合常数，其实验结果即将公布。然而，如何在标准模型中计算出的可靠取值则是理论上的巨大挑战，历经30余年仍然无法准确得到。在此工作中，作者构造了宇称守恒的一系列算符，它们是标准模型中同位旋为1的宇称破坏算符的手征伙伴。根据手征对称性，作者推导出一个软定理，将与由新算符导致的质子-中子质量劈裂联系起来，并且证明此定理经过手征微扰论单圈修正后仍然严格保持不变。此定理将一个较复杂的宇称破坏的核子-核子-介子耦合的问题转化成一个简单的能谱问题，将对 的理论计算带来极大的简化。可期待格点量子色动力学能够据此得出 的可靠结果，从而使标准模型中奇异数守恒的弱中性流的定量检验成为可能。论文通讯作者及实际第一作者是博士后成千业（Seng Chien Yeah）。论文的合作作者包括北京大学的冯旭研究员及中科院理论物理所的郭奉坤副研究员。研究工作得到了国家自然科学基金（11575110, 11655002, 11735010）、上海市自然科学基金（15DZ2272100, 15ZR1423100）、上海市粒子物理和宇宙学重点实验室及粒子物理与星系宇宙学教育部重点实验室的支持。