 | Горбунов Д.С. Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего Большого взрыва / Горбунов Д.С., Рубаков В.А. - М.: URSS, 2008. - 543 с. | |
Предисловие ..................................................... 8
Глава 1. Космология. Краткий обзор ............................. 10
1.1. О единицах измерения .................................... 10
1.2. Вселенная сегодня ....................................... 13
1.2.1. Однородность и изотропия ....................... 13
1.2.2. Расширение ..................................... 14
1.2.3. Время жизни Вселенной и размер ее наблюдаемой
части .......................................... 18
1.2.4. Пространственная плоскостность ................. 19
1.2.5. "Теплая" Вселенная ............................. 20
1.3. Баланс энергий в современной Вселенной .................. 24
1.4. Вселенная в будущем ..................................... 32
1.5. Вселенная в прошлом ..................................... 34
1.5.1. Рекомбинация ................................... 35
1.5.2. Первичный нуклеосинтез ......................... 36
1.5.3. Закалка нейтрино ............................... 37
1.5.4. Фазовые переходы во Вселенной .................. 37
1.5.5. Генерация барионной асимметрии ................. 38
1.5.6. Генерация темной материи ....................... 40
1.6. Образование структур во Вселенной ....................... 40
1.7. Инфляционная стадия ..................................... 42
Глава 2. Однородная изотропная Вселенная ....................... 45
2.1. Однородные изотропные пространства ...................... 45
2.2. Метрика Фридмана-Робертсона-Уокера ...................... 48
2.3. Красное смещение. Закон Хаббла .......................... 50
2.4. Замедление относительного движения ...................... 55
2.5. Газы свободных частиц в расширяющейся Вселенной ......... 57
Глава 3. Динамика расширения Вселенной ......................... 61
3.1. Уравнение Фридмана ...................................... 61
3.2. Примеры космологических решений. Возраст Вселенной.
Космологический горизонт ................................ 65
3.2.1. Нерелятивистское вещество ("пыль") ............. 66
3.2.2. Ультрарелятивистское вещество ("радиация") ..... 68
3.2.3. Вакуум ......................................... 70
3.2.4. Уравнение состояния р=ωp ....................... 73
3.3. Решения с реколлапсом ................................... 75
Глава 4. ACDM: космологическая модель с темной материей и темной
энергией ....................................................... 77
4.1. Современный состав Вселенной ............................ 77
4.2. Общие свойства эволюции Вселенной ....................... 80
4.3. Переход от замедления к ускорению ....................... 82
4.4. Переход от радиационно-доминированной к пылевидной стадии 83
4.5. Возраст современной Вселенной и размер горизонта ........ 85
4.6. Соотношение "видимая яркость - красное смещение" для
удаленных стандартных свеч .............................. 89
4.7. Угловые размеры удаленных объектов ...................... 98
4.8. Квинтэссенция ........................................... 99
4.8.1. Особенности эволюции однородного скалярного поля
в расширяющейся Вселенной ...................... 99
4.8.2. Ускоренное расширение Вселенной за счет
скалярного поля ............................... 104
4.8.3. Следящее поле ................................. 105
Глава 5. Термодинамика в расширяющейся Вселенной .............. 109
5.1. Функции распределения бозонов и фермионов .............. 109
5.2. Энтропия в расширяющейся Вселенной. Барион-фотонное
отношение .............................................. 117
5.3. Модели с промежуточной пылевидной стадией: генерация
энтропии ............................................... 122
5.4. Неравновесные процессы ................................. 127
Глава 6. Рекомбинация ......................................... 133
6.1. Температура рекомбинации ............................... 133
6.2. Последнее рассеяние фотонов ............................ 139
6.3. Выполнение условий термодинамического равновесия ....... 141
6.4. Горизонт на момент рекомбинации и угол, под которым он
виден сегодня. Пространственная плоскостность Вселенной 146
Глава 7. Реликтовые нейтрино .................................. 152
7.1. Температура закалки нейтрино ........................... 152
7.2. Эффективная температура нейтрино. Космологическое
ограничение на массу нейтрино .......................... 154
7.3. Стерильные нейтрино .................................... 158
Глава 8. Первичный нуклеосинтез ............................... 163
8.1. Закалка нейтронов. Нейтрон-протонное отношение ......... 163
8.2. Начало нуклеосинтеза. Направление термоядерных реакций . 167
8.3. Кинетика нуклеосинтеза ................................. 173
8.3.1. Горение нейтронов, р+n→D+γ .................... 174
8.3.2. Горение дейтерия .............................. 175
8.3.3. Образование первичных 3Не и 3Н ................. 179
8.3.4. Образование и горение наиболее тяжелых ядер
первичной плазмы .............................. 181
8.4. Наблюдаемая распространенность первичных элементов ..... 184
Глава 9. Темная материя ....................................... 189
9.1. Холодная, горячая и теплая темная материя .............. 190
9.2. Закалка тяжелых реликтовых частиц ...................... 193
9.3. Слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMPs) ....... 198
9.4. Другие применения результатов раздела 9.2 .............. 203
9.4.1. Остаточная плотность барионов в
барион-симметричной Вселенной ................. 204
9.4.2. Тяжелые нейтрино .............................. 204
9.5. Новые частицы - кандидаты на роль темной материи ....... 205
9.6. Стабильные частицы в суперсимметричных теориях ......... 206
9.6.1. Нейтралино .................................... 209
9.6.2. Снейтрино ..................................... 226
9.6.3. Гравитино ..................................... 227
9.7. Другие кандидаты ....................................... 244
9.7.1. Аксионы и другие легкие долгоживущие частицы .. 244
9.7.2. Сверхтяжелые реликтовые частицы ............... 260
9.7.3. Экзотика ...................................... 262
Глава 10. Фазовые переходы в ранней Вселенной ................. 264
10.1. Типы фазовых переходов ................................ 266
10.2. Эффективный потенциал в однопетлевом приближении ...... 276
10.3. Инфракрасная проблема ................................. 288
Глава 11. Генерация барионной асимметрии ...................... 293
11.1. Необходимые условия генерации асимметрии .............. 294
11.2. Несохранение барионного и лептонных чисел во
взаимодействиях частиц ................................ 297
11.2.1. Электрослабый механизм ....................... 298
11.2.2. Нарушение барионного числа в теориях Большого
объединения .................................. 305
11.2.3. Несохранение лептонных чисел и майорановские
массы нейтрино ............................... 315
11.3. Генерация асимметрии в распадах частиц ................ 317
11.4. Барионная асимметрия и массы нейтрино: лептогенезис ... 326
11.5. Электрослабый бариогенезис ............................ 333
11.5.1. Условия нарушения термодинамического равновесия334
11.5.2. Генерация барионной асимметрии на толстой,
медленно движущейся стенке ................... 337
11.5.3. Бариогенезис на тонкой стенке ................ 341
11.6. Механизм Аффлека-Дайна ................................ 350
11.6.1. Скалярные поля, несущие барионное число ...... 350
11.6.2. Генерация асимметрии ......................... 352
11.7. Заключительные замечания .............................. 359
Глава 12. Топологические дефекты и солитоны во Вселенной ...... 360
12.1. Образование топологических дефектов в ранней Вселенной 361
12.2. Монополи т'Хоофта-Полякова ............................ 364
12.2.1. Монополи в калибровочных теориях ............. 364
12.2.2. Механизм Киббла .............................. 368
12.2.3. Остаточная концентрация: проблема монополей .. 369
12.3. Космические струны .................................... 372
12.3.1. Струнные конфигурации ........................ 372
12.3.2. Газ космических струн ........................ 379
12.3.3. Дефицит угла ................................. 382
12.3.4. Струны во Вселенной .......................... 388
12.4. Доменные стенки ....................................... 395
12.5. Текстуры .............................................. 399
12.6. Гибридные топологические дефекты ...................... 403
12.7. Нетопологические солитоны: Q-шары ..................... 404
12.7.1. Модель с двумя полями ........................ 404
12.7.2. Модели с плоскими направлениями .............. 410
Приложение А. Элементы общей теории относительности ........... 421
А.I. Тензоры в искривленном пространстве-времени .............. 421
А.2. Ковариантная производная ................................. 425
А.З. Тензор кривизны .......................................... 431
А.4. Уравнения гравитационного поля ........................... 435
А.5. Конформно-связанные метрики .............................. 439
А.6. Взаимодействие материи с гравитационным полем. Тензор
энергии-импульса ......................................... 442
А.7. Движение частиц в гравитационном поле .................... 448
А.8. Ньютоновский предел в общей теории относительности ....... 450
А.9. Линеаризованные уравнения Эйнштейна на фоне пространства
Минковского .............................................. 453
А.10.Макроскопический тензор энергии-импульса ................. 454
А.11.Обозначения и соглашения ................................. 455
Приложение В. Стандартная модель физики частиц ................ 457
8.1. Описание Стандартной модели .............................. 457
8.2. Глобальные симметрии Стандартной модели .................. 469
8.3. С-, Р-, Т-преобразования ................................. 471
8.4. Смешивание кварков ....................................... 472
8.5. Эффективная теория Ферми ................................. 477
8.6. Особенности сильных взаимодействий ....................... 479
8.7. Эффективное число степеней свободы в Стандартной модели .. 480
Приложение С. Осцилляции нейтрино ............................. 482
С.1. Смешивание нейтрино и осцилляции ......................... 482
С.1.1. Вакуумные осцилляции .............................. 482
С.1.2. Осцилляции трех типов нейтрино в частных случаях .. 486
С.1.3. Эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна ............. 489
С.2. Наблюдения нейтринных осцилляции ......................... 491
С.2.1. Солнечные нейтрино и KamLAND ...................... 491
С.2.2. Атмосферные нейтрино, К2К и MINOS ................. 498
С.2.3. CHOOZ: ограничение на |Ue3| ........................ 501
С.3. Значения параметров осцилляции ........................... 501
С.4. Дираковские и майорановские массы. Стерильные нейтрино ... 504
С.5. Прямые поиски масс нейтрино .............................. 511
Приложение D. Квантовая теория поля при конечных температурах . 512
D.I. Бозонные поля: евклидово время и периодические граничные
условия .................................................. 512
D.2. Фермионные поля: антипериодические условия ............... 516
D.3. Теория возмущений ........................................ 520
D.4. Однопетлевой эффективный потенциал ....................... 523
D.5. Дебаевская экранировка ................................... 528
Монографии, обзоры ............................................ 532
Литература .................................................... 537
Предметный указатель .......................................... 540
|
| Настоящая книга написана в значительной мере с точки зрения связи космологии с физикой микромира. В ней излагаются результаты, относящиеся к однородной изотропной Вселенной на горячей стадии ее эволюции и на последующих космологических этапах. В основных разделах рассматриваются установившиеся представления о ранней и современной Вселенной; эти разделы могут служить современным введением в данную бурно развивающуюся область науки. Для облегчения чтения основных разделов в приложениях приведены необходимые сведения из общей теории относительности и теории элементарных частиц. Кроме того, в книге рассматриваются гипотезы (зачастую альтернативные друг другу), относящиеся к нерешенным проблемам космологии, таким как проблемы темной материи, темной энергии, асимметрии между веществом и антивеществом и т.д.
Предполагается, что в дальнейшем будет написано продолжение, посвященное теории развития космологических возмущений, инфляционной теории и теории постинфляционного разогрева.
Для научных работников, аспирантов и студентов, специализирующихся в области физики элементарных частиц и в области космологии.
|
|
