Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего Большого взрыва.

Предисловие к третьему изданию 9
Предисловие к первому изданию 10
Глава 1. Космология. Краткий обзор 12
1.1. О единицах измерения 12
1.2. Вселенная сегодня 15
1.2.1. Однородность и изотропия 15
1.2.2. Расширение 16
1.2.3. Время жизни Вселенной и размер её наблюдаемой части 22
1.2.4. Пространственная плоскостность 24
1.2.5. «Тёплая» Вселенная 24
1.3. Баланс энергий в современной Вселенной 29
1.4. Вселенная в будущем 37
1.5. Вселенная в прошлом 38
1.5.1. Рекомбинация 38
1.5.2. Первичный нуклеосинтез 40
1.5.3. Закалка нейтрино 41
1.5.4. Фазовые переходы во Вселенной 42
1.5.5. Генерация барионной асимметрии 43
1.5.6. Генерация тёмной материи 44
1.6. Образование структур во Вселенной 45
1.7. До горячей стадии 47
1.7.1. Аргументы из наблюдательных данных 47
1.7.2. Проблемы теории горячего Большого взрыва 49
1.7.3. Инфляционная теория 50
1.7.4. Альтернативы инфляции 52
Глава 2. Однородная изотропная Вселенная 53
2.1. Однородные изотропные пространства 53
2.2. Метрика Фридмана—Леметра—Робертсона—Уокера 56
2.3. Красное смещение. Закон Хаббла 58
2.4. Замедление относительного движения 62
2.5. Газы свободных частиц в расширяющейся Вселенной 65
Глава 3. Динамика расширения Вселенной 69
3.1. Уравнение Фридмана 69
3.2. Примеры космологических решений. Возраст Вселенной. Космологический горизонт 73
3.2.1. Нерелятивистское вещество («пыль») 74
3.2.2. Ультрарелятивистское вещество («радиация») 76
3.2.3. Вакуум 79
3.2.4. Уравнение состояния р = wp 81
3.3. Решения с реколлапсом 83
Глава 4. ΛCDM 85
4.1. Современный состав Вселенной 85
4.2. Общие свойства эволюции Вселенной 88
4.3. Переход от замедления к ускорению 90
4.4. Переход от радиационно-доминированной к пылевидной стадии 91
4.5. Возраст современной Вселенной и размер горизонта 95
4.6. Соотношение «видимая яркость — красное смещение» для удалённых стандартных свеч 99
4.7. Угловые размеры удалённых объектов 110
4.8. *Квинтэссенция 113
4.8.1. Особенности эволюции однородного скалярного поля в расширяющейся Вселенной 114
4.8.2. Ускоренное расширение Вселенной за счёт скалярного поля 118
4.8.3. Следящее поле 120
Глава 5. Термодинамика в расширяющейся Вселенной 123
5.1. Функции распределения бозонов и фермионов 123
5.2. Энтропия в расширяющейся Вселенной. Барион-фотонное отношение 131
5.3. *Модели с промежуточной пылевидной стадией: генерация энтропии 136
5.4. *Неравновесные процессы 140
Глава 6. Рекомбинация 146
6.1. Температура рекомбинации в термодинамическом равновесии 146
6.2. Последнее рассеяние фотонов в реальной Вселенной 152
6.3. *Выполнение условий теплового равновесия 162
6.3.1. Подогрев электронов 163
6.3.2. Кулоновское рассеяние: тепловое равновесие электрон-протонной компоненты 167
6.3.3. Тепловое равновесие фотонов 169
6.4. Горизонт эпохи рекомбинации и угол, под которым он виден сегодня. Пространственная плоскостность Вселенной 179
Глава 7. Реликтовые нейтрино 186
7.1. Температура закалки нейтрино 186
7.2. Эффективная температура нейтрино. Космологическое ограничение на массу нейтрино 188
7.3. *Стерильные нейтрино как тёмная материя 193
Глава 8. Первичный нуклеосинтез 204
8.1. Закалка нейтронов. Нейтрон-протонное отношение 204
8.2. Начало нуклеосинтеза. Направление термоядерных реакций 209
8.3. Кинетика нуклеосинтеза 216
8.3.1. Горение нейтронов, р + n —> D + γ 217
8.3.2. Горение дейтерия 218
8.3.3. *Первичные 3Не и 3Н 225
8.3.4. *Образование и горение наиболее тяжёлых ядер первичной плазмы 228
8.4. Наблюдаемая распространённость первичных элементов 231
Глава 9. Тёмная материя 235
9.1. Холодная, горячая и тёплая тёмная материя 236
9.2. Закалка тяжёлых реликтовых частиц 239
9.3. Слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMPs) 251
9.4. *Другие применения результатов раздела 9.2 259
9.4.1. Остаточная плотность барионов в барион-симметричной Вселенной 260
9.4.2. Тяжёлые нейтрино 260
9.5. Новые частицы — кандидаты на роль тёмной материи 261
9.6. Стабильные частицы в суперсимметричных теориях 263
9.6.1. Нейтралино 265
9.6.2. Снейтрино 277
9.6.3. Гравитино 278
9.7. Аксионы и другие лёгкие долгоживущие частицы 291
9.8. *Другие кандидаты 309
9.8.1. Сверхтяжёлые реликтовые частицы 309
9.8.2. Экзотика 310
Глава 10. Фазовые переходы в ранней Вселенной 312
10.1. Типы фазовых переходов 314
10.2. Эффективный потенциал в однопетлевом приближении 327
10.3. *Электрослабый вакуум при нулевой температуре 342
10.4. Инфракрасная проблема 350
Глава 11. Генерация барионной асимметрии 356
11.1. Необходимые условия генерации асимметрии 357
11.2. Несохранение барионного и лептонных чисел во взаимодействиях частиц 361
11.2.1. Электрослабый механизм 362
11.2.2. Нарушение барионного числа в теориях Большого объединения 369
11.2.3. Несохранение лептонных чисел и майорановские массы нейтрино 379
11.3. Генерация асимметрии в распадах частиц 381
11.4. Барионная асимметрия и массы нейтрино: лептогенезис 392
11.5. Электрослабый бариогенезис 400
11.5.1. Условия нарушения термодинамического равновесия 400
11.5.2. *Генерация барионной асимметрии на толстой, медленно движущейся стенке 402
11.5.3. *Бариогенезис на тонкой стенке 408
11.5.4. Электрослабый бариогенезис, СР-нарушение и ЭДМ нейтрона 414
11.6. *Механизм Аффлека—Дайна 416
11.6.1. Скалярные поля, несущие барионное число 416
11.6.2. Генерация асимметрии 418
11.7. Заключительные замечания 424
Глава 12. Топологические дефекты и солитоны во Вселенной 426
12.1. Образование топологических дефектов в ранней Вселенной 427
12.2. Монополи т’Хоофта—Полякова 429
12.2.1. Монополи в калибровочных теориях 429
12.2.2. Механизм Киббла 433
12.2.3. Остаточная концентрация: проблема монополей I 434
12.3. Космические струны 437
12.3.1. Струнные конфигурации 437
12.3.2. Газ космических струн 444
12.3.3. Дефицит угла 446
12.3.4. Струны во Вселенной 453
12.4. Доменные стенки 458
12.5. *Текстуры 461
12.6. *Гибридные топологические дефекты 465
12.7. *Нетопологические солитоны: Q-шары 466
12.7.1. Модель с двумя полями 466
12.7.2. Модели с плоскими направлениями 472
Приложение А. Элементы общей теории относительности 483
А.1. Тензоры в искривлённом пространстве-времени 483
А.2. Ковариантная производная 487
А.З. Тензор кривизны 492
А.4. Уравнения гравитационного поля 496
А.5. Конформно-связанные метрики 499
А.6. Взаимодействие материи с гравитационным полем. Тензор энергии-импульса 502
А.7. Движение частиц в гравитационном поле 507
А.8. Ньютоновский предел в общей теории относительности 511
А.9. Линеаризованные уравнения Эйнштейна на фоне пространства Минковского 513
А.10. Макроскопический тензор энергии-импульса 514
A.11. Обозначения и соглашения 515
Приложение В. Стандартная модель физики частиц 517
B.1. Описание Стандартной модели 517
В.2. Глобальные симметрии Стандартной модели 528
В.З. С-, Р-, Т-преобразования 529
В.4. Смешивание кварков 530
В.5. Эффективная теория Ферми 536
В.6. Особенности сильных взаимодействий 538
B.7. Эффективное число степеней свободы в Стандартной модели 538
Приложение С. Осцилляции нейтрино 541
C.1. Смешивание нейтрино и осцилляции 541
С.1.1. Вакуумные осцилляции 541
С.1.2. Осцилляции трёх типов нейтрино в частных случаях 545
С.1.3. Эффект Михеева—Смирнова—Вольфенштейна 547
С.2. Наблюдения нейтринных осцилляций 549
С.2.1. Солнечные нейтрино и KamLAND 549
С.2.2. Атмосферные нейтрино, К2К и MINOS 557
С.2.3. Ускорительные и реакторные нейтрино 559
С.З. Значения параметров осцилляций 561
С.4. Дираковские и майорановские массы. Стерильные нейтрино 564
C.5. Прямые поиски масс нейтрино 570
Приложение D. Квантовая теория поля при конечных температурах 571
D.1. Бозонные поля: евклидово время и периодические граничные условия 572
D.2. Фермионные поля: антипериодические условия 575
D.3. Теория возмущений 578
D.4. Однопетлевой эффективный потенциал 581
D.5. Дебаевская экранировка 585
Монографии, обзоры 588
Цветные иллюстрации 594
Литература 602
Предметный указатель 612