暗物質(zhì)及相關(guān)宇宙學(xué)

目錄
序
作者補(bǔ)序
譯者補(bǔ)序
說(shuō)明
上篇 暗物質(zhì)研究現(xiàn)狀
1 緒論 3
2 觀測(cè)證據(jù) 9
2.1 星系旋轉(zhuǎn)曲線(xiàn) 10
2.2 大尺度結(jié)構(gòu)，冷、熱暗物質(zhì) 13
2.3 引力透鏡，星系團(tuán)的碰撞 16開(kāi)
2.3.1 引力透鏡和暗物質(zhì) 17
2.3.2 星系和星系團(tuán)的碰撞 19
2.4 星系中的暗物質(zhì)和暗物質(zhì)宇宙地圖 23
2.4.1 暗物質(zhì)暈 23
2.4.2 暗物質(zhì)的宇宙地圖 24
2.5 宇宙微波背景各向異性 26
2.6 原初核合成：宇宙的重子組分 28
2.7 冷暗物質(zhì)模型的挑戰(zhàn)和暗物質(zhì)的替代理論 28
2.7.1 冷暗物質(zhì)模型面臨的挑戰(zhàn) 28
2.7.2 暗物質(zhì)的替代理論 30
2.8 尋找解決方案 31
3 銀河系和星系暗物質(zhì)密度分布 33
3.1 銀河系簡(jiǎn)介 33
3.2 銀河系中的暗物質(zhì) 35
4 暗物質(zhì)候選者 38
4.1 暗物質(zhì)：運(yùn)動(dòng)類(lèi)型和產(chǎn)生機(jī)制，寬泛的特征 39
4.2 暗物質(zhì)：粒子類(lèi)型 41
4.3 對(duì)可行的暗物質(zhì)候選者的評(píng)論 45
4.4 暗物質(zhì)候選者質(zhì)量的范圍和限制 47
5 弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP) 50
5.1 弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP) 50
5.2 超對(duì)稱(chēng)WIMP 50
5.3 WIMP物理和宇宙學(xué) 51
5.3.1 熱殘留 52
5.3.2 熱暗物質(zhì)殘留 55
5.3.3 冷暗物質(zhì)殘留 57
5.3.4 WIMP奇跡 58
5.4 熱產(chǎn)生和非熱產(chǎn)生淺談 59
6 暗物質(zhì)探測(cè)I——WIMP相關(guān) 61
6.1 全球深地實(shí)驗(yàn) 62
6.2 直接探測(cè)——地球?qū)嶒?yàn)室的暗物質(zhì) 64
6.2.1 基本理論概略 65
6.2.2 直接探測(cè)實(shí)驗(yàn) 68
6.3 星際暗物質(zhì)的間接探測(cè) 71
6.4 高能對(duì)撞機(jī)的暗物質(zhì)產(chǎn)生 73
7 暗物質(zhì)探測(cè)II——輕粒子 76
7.1 軸子和類(lèi)軸子粒子尋找 76
7.2 keV惰性中微子 79
8 暗物質(zhì)探測(cè)現(xiàn)狀總結(jié) 83
8.1 直接探測(cè) 83
8.1.1 直接探測(cè)：DAMA/LIBRA 84
8.1.2 直接探測(cè)：CDMS-II和超CDMS 86
8.1.3 直接探測(cè)：CoGeNT 87
8.1.4 直接探測(cè)：CRESST 89
8.2 間接探測(cè) 90
8.2.1 間接探測(cè)：荷電粒子，正電子和反質(zhì)子 90
8.2.2 間接探測(cè)：光子 93
8.2.3 間接探測(cè)：中微子 96
8.2.4 反氘核 98
8.2.5 其他反粒子的尋找 98
8.3 總結(jié) 98
8.3.1 實(shí)驗(yàn)探測(cè)現(xiàn)狀 98
8.3.2 展望未來(lái) 100
8.3.3 理論雜評(píng) 104
下篇 宇宙學(xué)相關(guān)課題
9 宇宙學(xué)入門(mén) 111
9.1 愛(ài)因斯坦方程和FLRW度規(guī) 111
9.1.1 基礎(chǔ)知識(shí)綜述 111
9.1.2 FLRW度規(guī) 113
9.1.3 FLRW度規(guī)中的愛(ài)因斯坦方程 116開(kāi)
9.1.4 宇宙紅移 122
9.1.5 作為紅移函數(shù)的早期宇宙能量分量 124
9.1.6 空間曲率項(xiàng)效應(yīng)和平坦空間 126
9.1.7 宇宙年齡 127
9.1.8 淺談哈勃膨脹率的測(cè)量 127
9.1.9 牛頓極限和引力勢(shì) 128
9.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)理論——熱力學(xué) 130
9.2.1 平衡分布 130
9.2.2 化學(xué)勢(shì) 131
9.2.3 熵 132開(kāi)
9.3 粒子密度的相對(duì)論和非相對(duì)論行為 134
9.3.1 極端相對(duì)論極限 134
9.3.2 非相對(duì)論極限 136
9.3.3 內(nèi)部自由度gj 138
9.3.4 部分詳細(xì)性質(zhì) 139
9.4 非熱平衡、粒子退耦或物質(zhì)原始源 142
9.4.1 平衡機(jī)制 143
9.4.2 退耦——脫離平衡 145
9.5 早期宇宙的熱歷史 146
9.5.1 中微子溫度和光子溫度的分離 146
9.5.2 早期宇宙的溫度年表 150
9.5.3 平衡時(shí)期的重子-光子比 153
9.5.4 物質(zhì)-輻射相等 154
9.5.5 復(fù)合與最后散射面 155
9.5.6 光子與最后散射面的退耦 159
9.5.7 宇宙簡(jiǎn)史和宇宙地圖 16開(kāi)0
10 大爆炸核合成：原初氦 16開(kāi)4
10.1 引言 16開(kāi)4
10.2 退耦估算 16開(kāi)7
10.2.1 宇宙膨脹率 16開(kāi)8
10.2.2 相互作用率 16開(kāi)8
10.2.3 近似退耦溫度Tf和中子凍結(jié)分支比 16開(kāi)9
10.3 中子分支比的微分方程和初始條件 16開(kāi)9
10.3.1 核子轉(zhuǎn)換率 172
10.3.2 微分方程的解 178
10.4 凍結(jié)中子分支比 181
10.5 中子衰變效應(yīng) 183
10.6 阻止中子衰變——輕元素的合成 185
10.7 氦-4的原初分支比 190
10.8 計(jì)量重子物質(zhì)和原初鋰問(wèn)題 191
11 大質(zhì)量粒子的凍結(jié) 194
11.1 粒子產(chǎn)生和湮滅的玻爾茲曼輸運(yùn)方程 194
11.2 粒子數(shù)密度的變化率 195
11.3 題外話(huà)——里卡蒂方程及其性質(zhì) 200
11.3.1 轉(zhuǎn)換為線(xiàn)性方程 200
11.3.2 多重解 201
11.3.3 邊界條件和唯一解 202
11.4 粒子數(shù)密度的解 202
11.5 凍結(jié)：凍結(jié)溫度和粒子豐度 205
11.5.1 凍結(jié)生成的殘留豐度 205
11.5.2 凍結(jié)期 206
11.6.的數(shù)值及其物理意義 207
11.6.1 計(jì)算 207
11.6.2 臨界密度分支比 208
11.6.3 大質(zhì)量粒子的質(zhì)量和湮滅截面 209
12 CMB各向異性 211
12.1 CMB各向異性的分類(lèi)及核心實(shí)驗(yàn) 213
12.1.1 CMB各向異性分類(lèi) 213
12.1.2 關(guān)鍵實(shí)驗(yàn) 214
12.2 次級(jí)各向異性 216開(kāi)
12.2.1 地球運(yùn)動(dòng)引起的各向異性 216開(kāi)
12.2.2 薩亞耶夫-澤爾多維奇效應(yīng) 217
12.2.3 積分薩奇斯-沃爾夫效應(yīng) 218
12.3 原初CMB各向異性 218
12.3.1 聲學(xué)振蕩和擾動(dòng)模型 218
12.3.2 擴(kuò)散阻尼 220
12.4 各向異性公式 221
12.4.1 am性質(zhì)，高斯分布，角功率譜 222
12.4.2 角功率譜觀測(cè)結(jié)果 224
12.5 角靈敏度、多極矩和角標(biāo)度 225
12.5.1 球諧函數(shù)分析 225
12.5.2 傅里葉變換分析 226
12.5.3 第一類(lèi)球貝塞爾函數(shù)的若干性質(zhì) 228
12.6 小漲落和線(xiàn)性宇宙學(xué)擾動(dòng) 231
12.6.1 線(xiàn)性度規(guī)擾動(dòng)及其展開(kāi) 232開(kāi)
12.6.2 應(yīng)力-能量張量擾動(dòng) 235
12.6.3 宇宙學(xué)規(guī)范變換 238
12.6.4 宇宙學(xué)方程的擾動(dòng)：方程的數(shù)目和解 243
12.7 規(guī)范固定 246
12.7.1 牛頓規(guī)范 247
12.7.2 同步規(guī)范 248
12.7.3 關(guān)于其他規(guī)范、規(guī)范轉(zhuǎn)化以及規(guī)范解的綜述 250
12.8 極早期宇宙擾動(dòng)——視界之外 251
12.8.1 涉及的問(wèn)題——初步討論 251
12.8.2 傅里葉展開(kāi)與隨機(jī)性 253
12.8.3 視界以外的守恒 255
12.8.4 絕熱解 257
12.9 流體力學(xué)極限下的標(biāo)量擾動(dòng)演化 261
12.9.1 建立方程組 262
12.9.2 流體力學(xué)方程及其初始條件 263
12.9.3 解析解方法 268
12.9.4 長(zhǎng)波區(qū)域的解 275
12.9.5 短波區(qū)域的解 283
12.9.6 長(zhǎng)波與短波之間的插入函數(shù)(ILS)——轉(zhuǎn)移函數(shù) 286
12.10 標(biāo)量擾動(dòng)引起的溫度各向異性 287
12.10.1 突然透明近似-光子徑跡追蹤 288
12.10.2 標(biāo)量擾動(dòng)引起的溫度漲落 291
12.10.3 溫度多極系數(shù)的顯式表示 305
12.10.4 多極系數(shù)CTT 310
13 宇宙學(xué)距離和時(shí)間 314
13.1 引言 314
13.2 FLRW度規(guī) 315
13.2.1 過(guò)去和未來(lái)的光錐 316開(kāi)
13.2.2 有宇宙學(xué)常數(shù)的冷暗物質(zhì)模型(ACDM) 316開(kāi)
13.3 距離和時(shí)間以及共動(dòng)徑向坐標(biāo) 318
13.3.1 在FLRW度規(guī)下的光傳播和類(lèi)光路徑 318
13.3.2 共動(dòng)徑向坐標(biāo) 319
13.3.3 回溯時(shí)間和光傳播時(shí)間t=t0-t1 32開(kāi)0
13.4 哈勃標(biāo)度，宇宙年齡以及標(biāo)度因子的顯式表示 32開(kāi)1
13.4.1 哈勃時(shí)間tH和哈勃長(zhǎng)度DH 32開(kāi)1
13.4.2 宇宙年齡tU，物質(zhì)-輻射相等的時(shí)期tEQ 32開(kāi)1
13.4.3 標(biāo)度因子a的泛函形式 32開(kāi)2
13.5 固有距離和相關(guān)長(zhǎng)度測(cè)量 32開(kāi)7
13.5.1 固有距離dp，共動(dòng)距離dc，以及哈勃膨脹 32開(kāi)7
13.5.2 粒子視界dph 32開(kāi)9
13.5.3 宇宙事件視界 32開(kāi)9
13.6 物理距離測(cè)量 331
13.6.1 角直徑距離dA和共動(dòng)角直徑距離dcA 331
13.6.2 亮度距離dL 332開(kāi)
13.7 平坦空間k=0中的概括性結(jié)果 333
13.7.1 結(jié)果總結(jié) 333
13.7.2 實(shí)例：最后散射面及其之后時(shí)期 334
13.7.3 宇宙事件視界和宇宙遠(yuǎn)期未來(lái)的概要 334
13.7.4 低紅移結(jié)果 337
13.7.5 關(guān)于時(shí)間與哈勃標(biāo)度因子的三次方程的評(píng)述 337
13.8 匯總表 339
附錄A 相空間、不變量和劉維爾定理 341
A.1 動(dòng)量空間中的洛倫茲不變體積元 341
A.2 位形空間中的洛倫茲不變體積元 343
A.3 洛倫茲不變相空間元 344
A.4 劉維爾定理 344
附錄B 常用的截面公式 346
B.1 電磁相互作用截面 346
B.1.1 Klein-Nishina公式 346
B.1.2 湯姆遜散射截面 346
B.2 弱相互作用截面 347
B.2.1 繆子壽命 347
B.2.2 輕子彈性散射截面 347
B.2.3 輕子非彈性截面 348
B.2.4 更多中微子輕子時(shí)的湮滅截面 348
B.2.5 中微子核子彈性截面 348
B.2.6 兩體中微子核子非彈性截面 349
B.2.7 截面的典型數(shù)量級(jí) 350
附錄C 有用的常數(shù)和單位轉(zhuǎn)換 351
C.1 自然單位和單位轉(zhuǎn)換 351
C.2 質(zhì)量和束縛能 352
C.3 有用常數(shù) 353
C.4 普朗克量 354
附錄D 物理名詞中英文對(duì)照 355
參考文獻(xiàn) 357