●序
作者補序
譯者補序
說明
上篇 暗物質研究現狀
1 緒論 3
2 觀測證據 9
2.1 星繫旋轉曲線 10
2.2 大尺度結構，冷、熱暗物質 13
2.3 引力透鏡，星繫團的踫撞 16
2.3.1 引力透鏡和暗物質 17
2.3.2 星繫和星繫團的踫撞 19
2.4 星繫中的暗物質和暗物質宇宙地圖 23
2.4.1 暗物質暈 23
2.4.2 暗物質的宇宙地圖 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 冷暗物質模型的挑戰和暗物質的替代理論 28
2.7.1 冷暗物質模型面臨的挑戰 28
2.7.2 暗物質的替代理論 30
2.8 尋找解決方案 31
3 銀河繫和星繫暗物質密度分布 33
3.1 銀河繫簡介 33
3.2 銀河繫中的暗物質 35
4 暗物質候選者 38
4.1 暗物質：運動類型和產生機制，寬泛的特征 39
4.2 暗物質：粒子類型 41
4.3 對可行的暗物質候選者的評論 45
4.4 暗物質候選者質量的範圍和 47
5 弱相互作用大質量粒子(WIMP) 50
5.1 弱相互作用大質量粒子(WIMP) 50
5.2 超對稱WIMP 50
5.3 WIMP物理和宇宙學 51
5.3.1 熱殘留 52
5.3.2 熱暗物質殘留 55
5.3.3 冷暗物質殘留 57
5.3.4 WIMP奇跡 58
5.4 熱產生和非熱產生淺談 59
6 暗物質探測I——WIMP相關 61
6.1 全球深地實驗 62
6.2 直接探測——地球實驗室的暗物質 64
6.2.1 基本理論概略 65
6.2.2 直接探測實驗 68
6.3 星際暗物質的間接探測 71
6.4 高能對撞機的暗物質產生 73
7 暗物質探測II——輕粒子 76
7.1 軸子和類軸子粒子尋找 76
7.2 keV惰性中微子 79
8 暗物質探測現狀總結 83
8.1 直接探測 83
8.1.1 直接探測：DAMA/LIBRA 84
8.1.2 直接探測：CDMS-II和超CDMS 86
8.1.3 直接探測：CoGeNT 87
8.1.4 直接探測：CRESST 89
8.2 間接探測 90
8.2.1 間接探測：荷電粒子，正電子和反質子 90
8.2.2 間接探測：光子 93
8.2.3 間接探測：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 98
8.3.1 實驗探測現狀 98
8.3.2 展望未來 100
8.3.3 理論雜評 104
下篇 宇宙學相關課題
9 宇宙學入門 111
9.1 愛因斯坦方程和FLRW度規 111
9.1.1 基礎知識綜述 111
9.1.2 FLRW度規 113
9.1.3 FLRW度規中的愛因斯坦方程 116
9.1.4 宇宙紅移 122
9.1.5 作為紅移函數的早期宇宙能量分量 124
9.1.6 空間曲率項效應和平坦空間 126
9.1.7 宇宙年齡 127
9.1.8 淺談哈勃膨脹率的測量 127
9.1.9 牛頓極限和引力勢 128
9.2 運動學理論——熱力學 130
9.2.1 平衡分布 130
9.2.2 化學勢 131
9.2.3 熵 132
9.3 粒子密度的相對論和非相對論行為 134
9.3.1 特別相對論極限 134
9.3.2 非相對論極限 136
9.3.3 內部自由度gj 138
9.3.4 部分詳細性質 139
9.4 非熱平衡、粒子退耦或物質原始源 142
9.4.1 平衡機制 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 平衡時期的重子-光子比 153
9.5.4 物質-輻射相等 154
9.5.5 復合與最後散射面 155
9.5.6 光子與最後散射面的退耦 159
9.5.7 宇宙簡史和宇宙地圖 160
10 大爆炸核合成：原初氦 164
10.1 引言 164
10.2 退耦估算 167
10.2.1 宇宙膨脹率 168
10.2.2 相互作用率 168
10.2.3 近似退耦溫度Tf和中子凍結分支比 169
10.3 中子分支比的微分方程和初始條件 169
10.3.1 核子轉換率 172
10.3.2 微分方程的解 178
10.4 凍結中子分支比 181
10.5 中子衰變效應 183
10.6 阻止中子衰變素的合成 185
10.7 氦-4的原初分支比 190
10.8 計量重子物質和原初鋰問題 191
11 大質量粒子的凍結 194
11.1 粒子產生和湮滅的玻爾茲曼輸運方程 194
11.2 粒子數密度的變化率 195
11.3 題外話——裡卡蒂方程及其性質 200
11.3.1 轉換為線性方程 200
11.3.2 多重解 201
11.3.3 邊界條件和專享解 202
11.4 粒子數密度的解 202
11.5 凍結：凍結溫度和粒子豐度 205
11.5.1 凍結生成的殘留豐度 205
11.5.2 凍結期 206
11.6.的數值及其物理意義 207
11.6.1 計算 207
11.6.2 臨界密度分支比 208
11.6.3 大質量粒子的質量和湮滅截面 209
12 CMB各向異性 211
12.1 CMB各向異性的分類及核心實驗 213
12.1.1 CMB各向異性分類 213
12.1.2 關鍵實驗 214
12.2 次級各向異性 216
12.2.1 地球運動引起的各向異性 216
12.2.2 薩亞耶夫-澤爾多維奇效應 217
12.2.3 積分薩奇斯-沃爾夫效應 218
12.3 原初CMB各向異性 218
12.3.1 聲學振蕩和擾動模型 218
12.3.2 擴散阻尼 220
12.4 各向異性公式 221
12.4.1 am性質，高斯分布，角功率譜 222
12.4.2 角功率譜觀測結果 224
12.5 角靈敏度、多極矩和角標度 225
12.5.1 球諧函數分析 225
12.5.2 傅裡葉變換分析 226
12.5.3 第一類球貝塞爾函數的若干性質 228
12.6 小漲落和線性宇宙學擾動 231
12.6.1 線性度規擾動及其展開 232
12.6.2 應力-能量張量擾動 235
12.6.3 宇宙學規範變換 238
12.6.4 宇宙學方程的擾動：方程的數目和解 243
12.7 規範固定 246
12.7.1 牛頓規範 247
12.7.2 同步規範 248
12.7.3 關於其他規範、規範轉化以及規範解的綜述 250
12.8 極早期宇宙擾動——視界之外 251
12.8.1 涉及的問題——初步討論 251
12.8.2 傅裡葉展開與隨機性 253
12.8.3 視界以外的守恆 255
12.8.4 絕熱解 257
12.9 流體力學極限下的標量擾動演化 261
12.9.1 建立方程組 262
12.9.2 流體力學方程及其初始條件 263
12.9.3 解析解方法 268
12.9.4 長波區域的解 275
12.9.5 短波區域的解 283
12.9.6 長波與短波之間的插入函數(ILS)——轉移函數 286
12.10 標量擾動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 標量擾動引起的溫度漲落 291
12.10.3 溫度多極繫數的顯式表示 305
12.10.4 多極繫數CTT 310
13 宇宙學距離和時間 314
13.1 引言 314
13.2 FLRW度規 315
13.2.1 過去和未來的光錐 316
13.2.2 有宇宙學常數的冷暗物質模型(ACDM) 316
13.3 距離和時間以及共動徑向坐標 318
13.3.1 在FLRW度規下的光傳播和類光路徑 318
13.3.2 共動徑向坐標 319
13.3.3 回溯時間和光傳播時間t=t0-t1 320
13.4 哈勃標度，宇宙年齡以及標度因子的顯式表示 321
13.4.1 哈勃時間tH和哈勃長度DH 321
13.4.2 宇宙年齡tU，物質-輻射相等的時期tEQ 321
13.4.3 標度因子a的泛函形式 322
13.5 固有距離和相關長度測量 327
13.5.1 固有距離dp，共動距離dc，以及哈勃膨脹 327
13.5.2 粒子視界dph 329
13.5.3 宇宙事件視界 329
13.6 物理距離測量 331
13.6.1 角直徑距離dA和共動角直徑距離dcA 331
13.6.2 亮度距離dL 332
13.7 平坦空間k=0中的概括性結果 333
13.7.1 結果總結 333
13.7.2 實例：最後散射面及其之後時期 334
13.7.3 宇宙事件視界和宇宙遠期未來的概要 334
13.7.4 低紅移結果 337
13.7.5 關於時間與哈勃標度因子的三次方程的評述 337
13.8 彙總表 339
附錄A 相空間、不變量和劉維爾定理 341
A.1 動量空間中的洛倫茲不 341
A.2 位形空間中的洛倫茲不 343
A.3 洛倫茲不變 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 截面的典型數量級 350
附錄C 有用的常數和單位轉換 351
C.1 自然單位和單位轉換 351
C.2 質量和束縛能 352
C.3 有用常數 353
C.4 普朗克量 354
附錄D 物理名詞中英文對照 355
參考文獻 357
