粒子宇宙学导论 宇宙学标准模型及其未解之谜PDF电子书下载

第1章 引论 1

1.1 牛顿宇宙学的疑难 1

1.2 宇宙学的标准模型 3

1.2.1 Hubble定律 5

1.2.2 大爆炸核合成 5

1.2.3 宇宙微波背景辐射 6

1.3 新物理的证据 7

1.3.1 暴胀 7

1.3.2 重子合成 8

1.3.3 暗物质 8

1.3.4 宇宙学常数问题 9

1.4 宇宙的年龄和大小 10

1.5 超出广义相对论的宇宙学模型 11

参考文献 12

第2章 广义相对论 13

2.1 标量 矢量 张量 13

2.2 测地方程 15

2.2.1 牛顿力学 15

2.2.2 相对论力学 16

2.3 平直时空的能量和动量 18

2.4 平直时空中的能动张量 18

2.5 弯曲时空 19

2.6 平直和弯曲时空中的场方程 21

2.7 Einstein方程 22

习题 24

参考文献 24

第3章 粒子物理的标准模型 25

3.1 费米子 26

3.1.1 轻子 27

3.1.2 夸克 27

3.2 玻色子 28

3.2.1 规范玻色子 29

3.2.2 Higgs粒子 29

3.3 Feynman图 30

3.4 超出粒子物理的最小标准模型 31

3.4.1 超对称模型 32

3.4.2 大统一理论 33

3.4.3 重中微子 33

3.4.4 Peccei-Quinn模型 35

3.5 粒子间的相互作用反应概率 35

习题 37

参考文献 37

第4章 宇宙学模型 38

4.1 Friedmann-Robertson-Walker度规 39

4.4 Friedmann方程组 40

4.3 宇宙学模型 41

4.3.1 Einstein宇宙 41

4.3.2 物质主导的宇宙 42

4.3.3 辐射主导的宇宙 43

4.3.4 真空能主导的宇宙 44

4.4 FRW度规的基本性质 44

4.5 宇宙的年龄 46

4.6 ACDM模型 47

4.7 宇宙的命运 49

习题 50

参考文献 51

第5章 宇宙学中的动力学和热力学 52

5.1 早期宇宙的热平衡 52

5.1.1 一般特征 52

5.1.2 动力学方程 55

5.1.3 等离子体加热与熵守恒 58

5.2 种类冻结 59

5.2.1 退耦合与Gershtein-Zeldovich限制 60

5.2.2 非相对论粒子的冻结 62

5.3 中微子能谱与中微子种类的有效数值 65

习题 66

参考文献 67

第6章 暴胀 68

6.1 暴胀的历史 68

6.2 预暴胀宇宙学的问题 69

6.2.1 暴胀动力学及其主要特征 69

6.2.2 平直问题 70

6.2.3 视界问题 71

6.2.4 宇宙膨胀的起源 71

6.2.5 平滑宇宙与原初等离子体的产生 71

6.2.6 磁单极问题 72

6.3 暴胀机制 73

6.3.1 带有指数势的正则标量暴胀 73

6.3.2 其他暴胀机制 75

6.4 宇宙加热 76

6.4.1 扰动产生 77

6.4.2 非扰动现象 79

6.4.3 参数共振 81

6.4.4 引力场中的粒子产生 83

6.5 引力波的产生 84

6.6 密度扰动的产生 87

参考文献 89

第7章 重子合成 93

7.1 重子合成的观测证据 93

7.2 重子合成模型的一般特征 94

7.2.1 Sakharov原理 94

7.2.2 宇宙学中的CP破缺 96

7.3 重子合成的模型 97

7.3.1 通过重粒子衰变的重子合成 97

7.3.2 电弱重子合成 98

7.3.3 通过轻子的重子合成 100

7.3.4 原初黑洞蒸发 101

7.3.5 自发重子合成 104

7.3.6 标量重子凝聚的重子合成 107

7.4 宇宙学的反物质 109

习题 113

参考文献 113

第8章 大爆炸核合成 117

8.1 宇宙中的轻元素 117

8.2 弱相互作用的冻结 118

8.3 正负电子湮灭 119

8.4 氘瓶颈 120

8.5 原初核合成 121

8.6 重子丰度 123

8.7 对新物理的限制 124

习题 125

参考文献 125

第9章 暗物质 126

9.1 暗物质的观测证据 126

9.2 暗物质候选者 128

9.2.1 最轻的超对称粒子 129

9.2.2 轴子 130

9.2.3 超大质量粒子 130

9.2.4 原初黑洞 131

9.3 暗物质粒子的直接搜寻 132

9.4 暗物质粒子的间接搜寻 134

习题 135

参考文献 136

第10章 宇宙微波背景 137

10.1 重组与退耦 137

10.2 描述扰动的公式 138

10.3 CMB的各向异性 141

10.3.1 原初各向异性 142

10.3.2 次级各向异性 143

10.3.3 极化各向异性 143

10.4 原初扰动 145

10.5 确定宇宙学参数 146

习题 147

参考文献 147

第11章 暗能量 148

11.1 宇宙加速膨胀 148

11.1.1 天文数据 149

11.1.2 标量场导致加速膨胀 150

11.1.3 修改引力论 151

11.2 真空能的问题 152

参考文献 153

第12章 密度扰动 155

12.1 牛顿引力理论下的密度扰动 155

12.2 广义相对论下的密度扰动 159

12.2.1 度规和曲率 159

12.2.2 能动张量 160

12.2.3 规范选择 160

12.2.4 渐近平直时空中的扰动演化 162

12.2.5 宇宙学扰动演化 163

12.2.6 广义相对论下密度扰动的几个结论 167

12.3 修改引力论中的密度扰动 168

12.3.1 一般方程 168

12.3.2 修改后的Jeans不稳定性 172

12.3.3 时间依赖背景的效应 173

习题 173

参考文献 174

附录A 自然单位制 176

附录B 规范理论 178

附录C 场量子化 180