Содержание
Предисловие к русскому изданию 9
1 Стандартная модель физики частиц 11
1.1 Строительные блоки материи.................. 11
1.2 Фундаментальные взаимодействия............... 13
1.3 Квантовые числа и симметрии................. 16
1.3.1 Электрический заряд Q................. 17
1.3.2 Четность Р и зарядовое сопряжение С........ 18
1.3.3 CP-сопряжение..................... 21
1.3.4 Обращение времени T и CPT-теорема........ 25
1.3.5 Барионное число В................... 27
1.3.6 Лептонное число L................... 27
1.4 Калибровочные теории..................... 28
1.4.1 Калибровочный принцип................ 29
1.4.2 Глобальные внутренние симметрии.......... 30
1.4.3 Локальные (или калибровочные) симметрии..... 31
1.4.4 Неабелевы калибровочные теории (теории Янга-Миллса)...................... 32
1.5 Стандартная модель физики элементарных частиц ...... 33
1.5.1 Квантовая хромодинамика............... 33
1.5.2 Электрослабое взаимодействие............. 40
2 Теории великого объединения 52
2.1 Константы связи......................... 52
2.2 Минимальная SU(5)-модель................... 57
2.2.1 Распад протона ..................... 60
2.2.2 Преимущества и недостатки SU(5)-модели...... 66
2.3 SO(10)-модель.......................... 67
2.4 Нейтрон-антинейтронные осцилляции............. 69
2.5 Массивные нейтрино...................... 71
2.5.1 Бета-распад и масса электронного нейтрино..... 74
2.5.2 Двойной бета-распад и эффективная масса электронного нейтрино...................... 76
2.5.3 Мюонное нейтрино................... 82
2.5.4 Тау-нейтрино....................... 82
2.5.5 Осцилляции нейтрино.................. 83
2.5.6 Распад нейтрино..................... 92
2.6 Суперсимметрия......................... 93
2.6.1 Поиск суперсимметрии на ускорителях........ 97
2.6.2 Поиск суперсимметрии в неускорительных экспериментах ......................... 100
2.7 Составные модели........................ 103
2.8 Теории суперструн........................ 104
3 Космология 108
3.1 Космологические модели.................... 108
3.1.1 Определение постоянной Хаббла........... 113
3.1.2 Плотность Вселенной.................. 118
3.1.3 Возраст Вселенной................... 121
3.2 Эволюция Вселенной...................... 123
3.2.1 Космологическая стандартная модель......... 123
3.2.2 Барионная асимметрия Вселенной........... 130
3.3 Проблемы стандартной космологической модели....... 133
3.3.1 Проблема флэтности.................. 133
3.3.2 Проблема горизонта................... 134
3.3.3 Проблема монополя................... 135
3.4 Фаза инфляции.......................... 136
4 Первоначальный ядерный синтез 140
4.1 Наблюдаемые распространенности элементов......... 140
4.1.1 Распространенность 4He................ 140
4.1.2 Дейтерий и 3He..................... 142
4.1.3 7Li, 9Ве, 11В....................... 144
4.2 Процесс ядерного синтеза.................... 145
4.3 Параметры, контролирующие распространенность 4He ... 149
4.3.1 Время жизни нейтрона................. 150
4.3.2 Барион-фотонное отношение.............. 151
4.3.3 Релятивистские степени свободы и число типов нейтрино......................... 151
4.4 Ускорители и число типов нейтрино.............. 152
4.5 Неоднородный или негомогенный ядерный синтез...... 155
5 Космологическая постоянная 157
5.1 Космологические модели с Λ≠0............... 158
5.2 Прямое определение космологической постоянной ..... 161
5.2.1 Определение параметра замедления.......... 162
5.2.2 Другие способы определения космологической постоянной........................ 167
5.3 Λ-проблема............................ 167
5.4 Возможные решения Λ-проблемы............... 169
6 Крупномасштабные структуры во Вселенной 173
6.1 Галактики............................. 173
6.2 Скопления, суперскопления и пустоты............ 177
6.3 Измерения красного смещения................. 179
6.4 Пекулярные скорости...................... 183
6.5 Квазары............................... 185
6.6 Описание структур........................ 188
6.7 Развитие флуктуации..................... 189
6.8 Эволюция структур....................... 196
6.9 Темная материя и формирование структуры......... 197
6.10 Начальный спектр флуктуации плотности........... 199
6.11 Космические струны....................... 202
7 Космическое фоновое излучение 206
7.1 Фоновое 3К-излучение..................... 206
7.1.1 Спектр и температура.................. 206
7.1.2 Измерение спектральной формы и температуры 3К-излучения ...................... 211
7.1.3 Анизотропия 3К-излучения............... 213
7.2 Космическое фоновое рентгеновское излучение....... 222
7.3 Космическое фоновое нейтринное излучение......... 225
8 Космическое излучение 227
8.1 Классические космические лучи................ 228
8.1.1 Первичный спектр.................... 228
8.1.2 Прямые измерения первичного излучения ...... 231
8.1.3 Вторичное излучение и атмосферные ливни..... 234
8.1.4 Атмосферные мюоны от космического излучения .. 240
8.1.5 Атмосферные нейтрино................. 243
8.2 Источники космического излучения.............. 245
8.2.1 Ускорение космического излучения.......... 247
8.2.2 Распространение космического излучения...... 249
8.3 Астрономия рентгеновского и гамма-излучения ....... 251
8.3.1 Присутствие изотопа 26Al в Млечном Пути..... 253
8.3.2 511кэВ-ная линия в Млечном Пути.......... 254
8.3.3 Джеминга......................... 256
8.3.4 Пульсары Краба и Вела................. 257
8.3.5 Вспышки гамма-излучения............... 258
8.3.6 Гамма-излучение сверхвысоких энергий ....... 259
8.4 Нейтрино высоких энергий................... 263
9 Темная материя 269
9.1 Свидетельства в пользу существования темной материи ... 269
9.1.1 Темная материя в галактиках.............. 269
9.1.2 Темная материя в скоплениях галактик........ 273
9.1.3 Темная материя и крупномасштабная структура Вселенной........................ 274
9.1.4 Темная материя и космология............. 274
9.2 Возможный состав темной материи.............. 276
9.2.1 Альтернативные объяснения темной материи..... 276
9.2.2 Барионная темная материя............... 277
9.2.3 Небарионная темная материя.............. 284
9.3 Детектирование темной материи................ 288
9.3.1 Взаимодействие WIMP-частиц с ядрами ....... 288
9.3.2 Эксперименты по прямому детектированию..... 291
9.3.3 Косвенные эксперименты................ 303
10 Магнитные монополи 305
10.1 Монополь Дирака........................ 305
10.2 Монополь т'Хофта и Полякова................. 308
10.3 Астрофизика монополей.................... 310
10.4 Экспериментальный поиск монополей............. 315
10.4.1 Индукционные эксперименты............. 316
10.4.2 Ионизационные эксперименты............. 319
10.4.3 Катализ нуклонного распада.............. 322
10.4.4 Другие методы детектирования монополей...... 324
11 Аксионы 327
11.1 Теоретическое обоснование...................327
11.2 Свойства аксионов........................329
11.3 Аксионы и эволюция звезд...................331
11.3.1 Введение......................... 331
11.3.2 Солнечные аксионы................... 331
11.3.3 Аксионы и красные гиганты.............. 332
11.3.4 Аксионы и сверхновая SN 1987А........... 333
11.4 Аксионы в космологии..................... 335
11.5 Экспериментальный поиск аксионов.............. 337
11.5.1 Космические аксионы.................. 337
11.5.2 Аксионы из гало Млечного пути............ 338
11.5.3 Образование аксионов в лабораторных условиях ... 341
11.5.4 Солнечные аксионы................... 342
12 Солнечные нейтрино 346
12.1 Стандартная модель Солнца .................. 346
12.1.1 Скорости протекания реакций............. 346
12.1.2 Процессы образования энергии и нейтрино в Солнце 348
12.1.3 Спектр солнечных нейтрино.............. 350
12.2 Эксперименты с солнечными нейтрино............ 353
12.2.1 Хлорный эксперимент ................. 354
12.2.2 Детекторы Камиоканде и Суперкамиоканде..... 357
12.2.3 Галлиевые эксперименты................ 364
12.3 Попытки теоретического объяснения............. 368
12.3.1 Нестандартные модели Солнца, космионы и гелиосейсмология....................... 369
12.3.2 Нейтринные осцилляции в веществе и MSW-эффект 375
12.3.3 Магнитный момент нейтрино ............. 381
12.4 Будущие эксперименты..................... 383
12.4.1 Радиохимические эксперименты............ 383
12.4.2 Черенковские эксперименты в реальном времени .. 385
12.4.3 Сцинтилляторные эксперименты в реальном времени 386
12.4.4 Эксперимент HELLAZ................. 389
12.4.5 Эксперимент ICARUS ................. 389
13 Нейтрино от сверхновых звезд 391
13.1 Сверхновые............................ 391
13.1.1 Эволюция массивных звезд............... 394
13.1.2 Фаза действительного коллапса............ 398
13.2 Испускание нейтрино при вспышках сверхновых...... 406
13.3 Методы детектирования нейтрино от сверхновых...... 409
13.4 Сверхновая SN 1987А...................... 409
13.4.1 Характеристики сверхновой SN 1987А........ 411
13.4.2 Нейтрино от сверхновой SN 1987А.......... 416
13.4.3 Свойства нейтрино от сверхновой SN 1987А..... 419
13.5 Частота появления сверхновых................. 422
13.6 Эксперименты будущего .................... 424
14 Образование тяжелых элементов 427
14.1 Введение............................. 427
14.1.1 Захват нейтрона..................... 427
14.1.2 Бета-распад ....................... 429
14.2 Сценарии со взрывом и синтез элементов до железа..... 430
14.3 Синтез элементов тяжелее железа............... 431
14.3.1 s-процесс......................... 432
14.3.2 p-процесс......................... 434
14.3.3 r-процесс......................... 434
14.3.4 Космические хронометры и возраст Вселенной ... 441
Список литературы 445
Предметный указатель 488