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第1部分 粒子和相互作用3

第1章 夸克与轻子及其相互作用3

1.1 概述3

1.2 夸克和轻子4

1.3 费米子和玻色子：自旋-统计关系，超对称9

1.4 反粒子10

1.5 基本的相互作用：玻色子的交换12

1.6 玻色子和费米子的耦合14

1.7 夸克-胶子等离子体21

1.8 相互作用截面22

1.9 基本粒子散射截面的例子25

1.10 衰变和共振态30

1.11 共振态的例子33

1.12 新粒子35

1.13 总结36

习题37

第2章 相对论变换和等效原理41

2.1 狭义相对论中的坐标变换41

2.2 不变间隔和四矢量44

2.3 等效原理：引力场中的钟45

2.4 广义相对论50

2.5 史瓦西线元、史瓦西半径及黑洞51

2.6 质点引起的光的引力偏折（爱因斯坦星移）53

2.7 夏皮罗延迟55

2.8 轨道进动55

2.9 Robertson-Walker线元56

2.10 牛顿引力的修正？58

2.11 相对论运动学：四动量，多普勒效应59

2.12 有固定靶和碰撞束的加速器60

习题61

第3章 守恒律、对称性以及粒子物理标准模型63

3.1 变换以及欧拉-拉格朗日方程63

3.2 转动64

3.3 宇称算符65

3.4 宇称守恒及内秉宇称66

3.5 弱相互作用中的宇称破坏68

3.6 螺旋度和螺旋度守恒69

3.7 电荷共轭不变性72

3.8 规范变换和规范不变性72

3.9 超弦76

3.10 电弱理论中的规范不变77

3.11 对称性自发破缺的希格斯机制78

3.12 跑动的耦合常数：弱电理论和量子色动力学与实验的比较80

3.13 规范理论中的真空结构87

3.14 CPT定理与CP和T对称87

3.15 中性K介子衰变中的CP破坏88

3.16 标准模型中的CP破坏：CKM矩阵90

3.17 总结93

习题94

第4章 标准模型的拓展96

4.1 无中微子的双贝塔衰变96

4.2 中微子质量与味道振荡98

4.3 大统一理论：质子衰变102

4.4 大统一和中微子跷跷板机制105

4.5 等级与超对称107

4.6 总结109

习题109

第2部分 早期宇宙113

第5章 膨胀宇宙113

5.1 哈勃膨胀113

5.2 奥伯斯佯谬119

5.3 弗里德曼方程119

5.4 能量密度源123

5.5 观测的能量密度126

5.6 宇宙的年龄和尺度128

5.7 减速参数：真空能／宇宙学常数的效应131

5.8 CMB辐射132

5.9 微波辐射的各向异性135

5.10 早期宇宙中的粒子和辐射136

5.11 光子和中微子密度138

5.12 辐射和物质时期：物质和辐射的退耦140

5.13 物质-辐射相等的时期142

5.14 总结144

习题145

第6章 核合成和重子产生147

6.1 原初核合成147

6.2 大爆炸中的重子产生以及物质-反物质不对称150

6.3 大爆炸中的重子-光子之比153

6.4 Sakharov判据155

6.5 重子-反重子不对称：可能的情形156

6.6 总结159

习题159

第7章 暗物质和暗能量组分161

7.1 概述161

7.2 星系和星系团中的暗物质162

7.3 引力透镜164

7.4 从引力透镜得到的暗物质证据165

7.5 引力透镜产生的放大效应：微引力透镜和MACHOs168

7.6 透镜概率：光深171

7.7 重子暗物质172

7.8 中微子172

7.9 轴子174

7.10 类轴子粒子175

7.11 弱相互作用大质量粒子176

7.12 期待的WIMP反应截面和事件率179

7.13 WIMP的实验搜寻181

7.14 暗能量：高红移超新星和大z值处的哈勃图183

7.15 真空能：卡西米尔效应189

7.16 宇宙学常数和暗能量中存在的问题190

7.17 总结192

习题193

第8章 早期宇宙的结构形成195

8.1 概述195

8.2 星系和星系际的磁场196

8.3 视界和平坦性疑难197

8.4 暴胀199

8.5 混沌暴胀203

8.6 量子涨落和暴胀205

8.7 原初涨落谱206

8.8 大尺度结构：引力塌缩和金斯质量208

8.9 膨胀宇宙中的结构增长211

8.10 辐射时期涨落的演化212

8.11 从涨落谱得出的中微子质量的宇宙学极限217

8.12 物质主导时期涨落的增长218

8.13 CMB的温度涨落和各向异性219

8.14 各向异性的角谱：分布中的“声学峰”222

8.15 CMB各向异性的实验观测和解释227

8.16 宇宙微波辐射的偏振229

8.17 总结230

习题231

第3部分 宇宙中的粒子和辐射235

第9章 宇宙粒子235

9.1 概述235

9.2 宇宙线的成分和谱236

9.3 地球磁场和太阳效应239

9.4 宇宙线的加速243

9.5 次级宇宙辐射：π介子和μ子——硬成分和软成分245

9.6 带电粒子和辐射在物质中的穿行246

9.7 电磁级联的形成249

9.8 广延大气簇射：核子和光子导致的簇射251

9.9 广延大气簇射的探测251

9.10 γ射线点源253

9.11 γ射线暴255

9.12 超高能宇宙线簇射：GZK截断257

9.13 超高能宇宙线的点源259

9.14 射电星系和类星体260

9.15 大气层中微子：中微子振荡264

9.16 太阳中微子267

9.17 物质中的中微子振荡270

9.18 高能中微子的点源271

9.19 引力辐射273

9.20 脉冲双星274

9.21 引力波的探测276

9.22 总结277

习题279

第10章 恒星与星系相关的粒子物理281

10.1 概述281

10.2 恒星的早期演化281

10.3 氢燃烧：太阳内部的p-p链284

10.4 氦燃烧及碳氧产物287

10.5 重元素产物288

10.6 电子简并压与恒星的稳定性289

10.7 白矮星292

10.8 恒星塌缩：Ⅱ型超新星293

10.9 来自SN1987A的中微子295

10.10 中子星与脉冲星298

10.11 黑洞300

10.12 黑洞的霍金辐射302

10.13 总结304

习题304

附录A 物理常数表306

附录B 汤川理论和玻色子的传播子308

附录C 早期宇宙中结构的微扰增长310

附录D 太阳中微子相互作用的MSW机制314

习题答案317

参考文献330

参考书目335

索引337