科研方向

本课题组的研究方向为粒子物理及宇宙学。在Higgs物理、宇宙早期相变、正反粒子不对称性、暗物质和量子场论方法等领域做出了一系列有影响的原创性工作。下面进行简要介绍：

1.（超轻）暗物质探测，引力波物理

近年来天体物理宇宙学观测和地面探测实验极大地带动了对搜寻暗物质和引力波等极弱耦合的现象的发展。引力波望远镜LIGO/VIRGO、黑洞事件视界望远镜EHT、脉冲星计时阵列PTA等愈发高精度的天文多波段观测带给了科研工作者有史以来最丰富的信息。我们与帕克斯脉冲星计时阵（PPTA）合作组合作的文章使用26颗脉冲星的高精度计时数据对宇宙学起源的引力波进行了搜寻。通过在帕克斯脉冲星计时阵列中搜寻 “分段幂律”形态的引力波能谱，对宇宙一阶相变的参数进行限制。该工作被发表在《物理评论快报》（Phys.Rev.Lett.）上，入选编辑推荐（Editors' Suggestion）论文并被美国物理学会(APS)为上述研究成果在杂志《Physics》上专题报道对公众加以解读。极轻暗物质的研究和搜寻也是天体探测的另一研究热点。这种拥有极轻质量的玻色子在宏观尺度体现地像一个经典波，可以用于解释不少暗物质星系尺度观测的问题。根据波粒二象性其德布罗意波长达到了宏观尺度，表现为物质波。如果是其德布罗意波长对应于星系级尺度，我们可以用天文观测来探测这种超轻质量的玻色子。我们参与澳大利亚Parkes望远镜毫秒脉冲星计时阵列（PPTA）合作组，利用其实时数据探测具有宏观波动性的超轻暗物质，文章发表在Phys.Rev.Res.(Letter)上并入选编辑推荐（Editors' Suggestion）。同时还利用欧洲“Gaia”天体探测卫星探测具有宏观波动性的超轻暗物质，开启了全新的研究方向。让未来中国的FAST天眼射电望远镜和参与的平方公里阵列SKA多了不少潜在的应用。

2019年，黑洞事件视界望远镜（EHT）的里程碑时观测使我们有了黑洞这个理论概念的最直接证据。我们提出，这次观测还可以通过偏振的极化数据来寻找轴子超轻暗物质。如果存在极轻的轴子，在黑洞周围会形成一个致密的轴子云，从而使得黑洞附近发出的光得到类似双折射的效应。这种观测将达到远超之前实验的灵敏度。相关工作作为通讯作者发表在Phys.Rev.Lett.上，也迅速被国际著名引力学家尼尔斯波尔所及里斯本大学教授Vitor Cardoso 教授在Nature Review Physics 1, 701(2019)及其专著超辐射进行引用评论。2021年， 我们团队和国内外合作者结合事件视界望远镜（EHT）的线性极化方向空间分布的偏振测量，做了数据分析，首次将轴子诱导的双折射嵌入到辐射传输框架中，模拟了一部黑洞图像的电影。这是第一次从理论上提出用黑洞事件视界望远镜探测轴子这一超轻新粒子，并进行了实际的观测，是一项理论与实践结合得非常密切的研究。该研究对EHT数据进行了很好的应用。这项工作已经发表在Nature Astronomy上。

2020年，暗物质直接探测实验XENON1T对于电子反冲信号的搜索超过本底的预期。这些信号是否来源于背景的低估，还是暗物质等新物理，成为了高能物理研究的关键问题。我们的研究表明，这个溢出可以自然地被一种加速的暗物质解释。同时，研究预言，暗物质在穿行地球过程中会和地球内物质发生同样的相互作用而损失能量，使得其来源的方向可以蕴含在这些以天为周期震荡的事例数中，受到实验组的高度重视。 这一研究发表在Phys.Rev.Lett.上，并得到了编辑推荐(Editor’s Suggestion)。美国物理学会(APS)为上述研究成果在杂志《Physics》上专题报道撰文加以解读。

• "Stringent axion constraints with Event Horizon Telescope polarimetric measurements of M87^*", Yifan Chen, Yuxin Liu, Ru-Sen Lu, Yosuke Mizuno, Jing Shu, Xiao Xue, Qiang Yuan, Yue Zhao, Nature Astronomy, 17th March, 2022.(DOI link)

• "High-precision search for dark photon dark matter with the Parkes Pulsar Timing Array", Xiao Xue, Zi-Qing Xia, Xingjiang Zhu, Yue Zhao, Jing Shu, et al, Phys. Rev. Research 4, L012022 (2022).(DOI link)

• "Constraining Cosmological Phase Transitions with the Parkes Pulsar Timing Array", Xiao Xue, Ligong Bian, Jing Shu, Qiang Yuan, Xingjiang Zhu et al. Phys.Rev.Lett. 127 (2021) 25, 251303 (Editor’s suggestion, Featured in Physics).(DOI link)

• "Boosted Dark Matter Interpretation of the XENON1T Excess", Bartosz Fornal, Pearl Sandick, Jing Shu, Meng Su, Yue Zhao, Phys.Rev.Lett. 125 (2020) 16, 161804 (Editor’s suggestion, Featured in Physics).(DOI link)

• "Probing Axions with Event Horizon Telescope Polarimetric Measurements", Yifan Chen, Jing Shu, Xiao Xue, Qiang Yuan, Yue Zhao, Phys.Rev.Lett. 124 (2020) 6, 061102.(DOI link)

2. 电弱对称性破缺机制与宇宙早期正反物质不对称性起源

希格斯粒子是2012年首次被欧洲核子中心通过大型强子对撞机寻找到发现的，也被称为上帝粒子。我们的经典论文“General Composite Higgs”中提出最普适的复合希格斯模型框架，并首次引入温伯格的求和规则。文章至今被引用280多次，是复合希格斯模型领域被引用最多的论文之一。此项工作也提供了一种最显著的方案在大型强子对撞机上寻找复合希格斯的探测信号，随后被LHC实验组寻找复合Higgs模型信号的实验文章作为标准参考模型多次引用，文章得到了洪堡研究奖得主，康奈尔大学的教授Csaba Csaki等领域专家在Review of Modern Physics 88 045001里综述文章的高度评价，同时文章还被2018年的《粒子物理年度综述评论》重点引用。我们之后在复合希格斯粒子方面做出了一系列突破性的理论研究工作，这些论文深刻地利用了粒子物理理论中的连续对称性和分立对称性。首先发现了一种全新的最大对称性(Maximal Symmetry),可以用来完美的解释电弱对称性自发破缺的起源，在此基础上他指出如何系统的在低能下衍生出这种最大对称性，未来有可能用于凝聚态或者其他物理系统中。同时提出了一种新的Higgs势能中的三角函数宇称(Trigonometric Parity)，并指出如何利用这种宇称去构造解释电弱对称性自发破缺的模型，并写出了相应的最简模型。此外，还提出了一种简单的机制来产生一个独立的希格斯势能的四次方项，将这种机制应用到电中性自然的希格斯模型中，首次获得了一个完全自然的新物理模型，这对理解电弱对称性破缺机制至关重要。以上四篇相关研究工作都以通讯作者身份发表在Phys. Rev. Lett.上。

在希格斯粒子发现后，我们在宇宙早期正反粒子不对称起源的问题上，取得重要发现。其中对是否能有希格斯粒子相关的共轭-宇称(CP)破坏以及和宇宙正反粒子不对称起源的关系上，进行了创新性的研究，此项工作也是有关于希格斯粒子物理性质的数据发布以后得到引用最多的电弱重子不对称生成的论文之一。结果在美国SNOWMASS 2013会议上受到强烈关注，文章发表在Phys.Rev.Lett上。在低能电子电偶极矩（EDM）数据发布后，我们又对其和重子不对称的关系进行解释，为理论探索宇宙早期相变，有关CP破坏和宇宙学方向的结合提供了极其关键的理论依据。论文同样发表在Phys.Rev.Lett.上，同时被发表在Review of Modern Physics 91 015001上的综述文章进行了详细的介绍。

• "Generating a Higgs Quartic", Csaba Csáki, Cong-sen Guan, Teng Ma, Jing Shu, Phys.Rev.Lett. 124 (2020) 25, 251801.(DOI link)

• "Emergence of Maximal Symmetry", Csaba Csáki, Teng Ma, Jing Shu, Jiang-Hao Yu, Phys.Rev.Lett. 124 (2020) 24, 241801.(DOI link)

• "Trigonometric Parity for Composite Higgs Models", Csaba Csáki, Teng Ma, Jing Shu, Phys.Rev.Lett. 121 (2018) no.23, 231801.(DOI link)

• "Maximally Symmetric Composite Higgs Models", Csaba Csaki, Teng Ma, Jing Shu, Phys.Rev.Lett. 119 (2017) no.13, 131803.(DOI link)

• "Cancellations Between Two-Loop Contributions to the Electron Electric Dipole Moment with a CP-Violating Higgs Sector", Ligong Bian, Tao Liu, Jing Shu, Phys.Rev.Lett. 115 (2015) 021801.(DOI link)

• "Impact of a CP Violating Higgs: from LHC to Baryogenesis", Jing Shu, Yue Zhang, Phys.Rev.Lett. 111 (2013) 091801.(DOI link)

• "General Composite Higgs Models", David Marzocca, Marco Serone, Jing Shu, JHEP 1208 (2012) 013.(DOI link)

• "Electroweak Beautygenesis: From b {\to} s CP-violation to the Cosmic Baryon Asymmetry", Tao Liu, Michael J. Ramsey-Musolf, Jing Shu, Phys.Rev.Lett. 108 (2012) 221301.(DOI link)

3. 基于散射振幅的有效场论方法

我们将振幅应用到标准模型有效场论中，提出了一种新的计算任意质量和自旋有效场论算符的方法，简明的写出了六维算符振幅基，算符振幅基下自动的不存在算符冗余的问题。同时，也在散射振幅理论中，发展出一套系统的适用于粒子散射的新的选择定则(selection rule)，指出如何利用自旋螺旋度方法做量子场论中的分波展开，赋予了选择定则新的含义。作为通讯作者的相关工作发布在Phys.Rev.Lett.上，已经多次在国际散射振幅会议中被同行专家引用。

• Partial Wave Amplitude Basis and Selection Rules in Effective Field Theories, Minyuan Jiang, Jing Shu, Ming-Lei Xiao, Yu-Hui Zheng, Phys.Rev.Lett. 126 (2021) 1, 011601.(DOI link)

• "Complete set of dimension-eight operators in the standard model effective field theory", Hao-Lin Li, Zhe Ren, Jing Shu, Ming-Lei Xiao, Jiang-Hao Yu, and Yu-Hui Zheng, Phys.Rev.D 104 (2021) 1, 015026. (DOI link)