当前物理学界基本上存在这样一个共识：宇宙中存在暗物质，而且它是宇宙物质组分的主要部分。特别是天体物理学和宇宙学中，暗物质已经是理解众多实验观测的必然需求，也是大量数值模拟的必要输入。因此暗物质研究成为了前沿物理的重要研究方向。不管是在实验探测，还是理论模型等各个方面，都在飞速发展。许多实验已经给出了振奋人心的信号，相关理论研究得到持续检验，新的思想也不断涌现。山雨欲来风满楼！可以说，发现及检验暗物质也许是基础物理中最可能出现突破的领域之一。特别值得一提的是，我国的暗物质的实验和理论研究都已经有了很好的基础。在暗物质的直接探测方面，CDEX，PANDAX给出的暗物质核子散射截面的排除线在全球范围内具有相当的竞争力。间接探测暗物质的卫星“悟空号”，已经在轨运行多年。2017年底实验组公布的电子能谱结果引起了世界轰动。国内相关理论物理学家在暗物质理论模型构建，数据分析等领域也取得了令人瞩目的成绩。相信随着暗物质实验和理论的不断发展和深化，国内必定会有更多的新生力量参与进来。因此暗物质相关的基础教学就显得尤为重要。
杨炳麟先生为了提高国内粒子物理研究生暗物质研究水平，特将自己近年来在国内粒子物理暑期学校的讲稿进行总结和扩展，历时四年，写成综述A Survey of Dark Matter and Related Topics in Cosmology，发表在杂志Frontiers of Physics上。国内新物理研究小组三位成员柳国丽、王雯宇和王飞历时两年将炳麟先生的暗物质专著翻译成中文，书名取做《暗物质及相关宇宙学》，由科学出版社出版发行。目前该书已经正式上市。
ISBN：978-7-03-062342-3
本书主要面向理论物理相关专业的研究生，对暗物质研究现状以及相关宇宙学理论做了系统而全面的综述。该综述共有十三章，第一至八章主要包括暗物质观测证据、银河系暗物质分布、暗物质候选者、弱相互作用大质量粒子，轻暗物质粒子，暗物质直接、间接探测以及实验现状总结等内容。后面章节详细介绍了宇宙学中的一些具体课题。第九章和第十三章是宇宙学基本知识简介，其余三章分别深入介绍了如下具体课题：宇宙大爆炸核合成、玻尔兹曼输运方程和大质量粒子的冻结、宇宙微波背景各向异性和宇宙扰动理论，主要侧重于部分表达式在做适当近似后的解析形式，以便读者深入理解和暗物质相关的宇宙学理论。这是首部以暗物质为主题的中文专著。公众可以由该综述充分了解当前暗物质研究前沿的全面进展，从事暗物质研究的学者也可以由此学习暗物质理论的各种细节。
为了使本书能够更广传播，科学出版社以最高质量要求印刷本书。铜版纸，彩色印刷，精美插图配以中文翻译，把暗物质研究领域重要图形，都以最完美形式呈现给中国读者。读者在深入学习暗物质理论的同时，还能赏心悦目，陶冶情操。作为国内首部暗物质中文学术专著，本书实乃不可多得的收藏佳品！
作者简介
杨炳麟，美籍华人，国际著名理论物理学家，美国爱荷华州立大学教授。1937年生，1959年在台湾大学获得学士学位，1966年在美国明尼苏达大学获得博士学位。随后在美国印第安纳大学、布鲁克海文国家实验室等处作博士后研究工作。1970年以后在爱荷华州立大学任教，2004年退休。杨炳麟先生主要从事高能物理研究，学术成绩斐然，曾任美国华人物理学会会长。杨先生多年来一直关心和支持中国的科技发展，为中国物理学事业默默付出。从上个世纪八十年代开始，杨先生就利用假期时间给国内研究同行讲课，并于繁忙工作之余，抽出时间精心准备讲义。本著作正是杨先生近年来在国内多个暑期学校和学术会议讲稿的总结与扩展。
译者简介
柳国丽
郑州大学物理学院教授。2006年博士毕业于中科院理论物理研究所，随后在比利时布鲁塞尔自由大学做博士后研究工作，2008年回国在郑州大学任教至今。主要从事高能物理、超出标准模型新物理唯象研究。
王雯宇
北京工业大学应用数理学院研究员。2008年博士毕业于中科院理论物理研究所，随后在北京工业大学任教至今。主要从事高能物理、超出标准模型新物理唯象研究。
王飞
郑州大学物理学院教授。2006年博士毕业于中科院理论物理研究所，随后在清华大学，澳大利亚莫纳什大学做博士后研究，2012年进入郑州大学工作并被聘为教授。主要从事新物理模型构造、大统一理论和早期宇宙学等领域的研究。
本书目录
目录
序
作者补序
译者补序
说明
上篇 暗物质研究现状
1 绪论 3
2 观测证据 9
2.1 星系旋转曲线 10
2.2 大尺度结构，冷、热暗物质 13
2.3 引力透镜，星系团的碰撞 16
2.3.1 引力透镜和暗物质 17
2.3.2 星系和星系团的碰撞 19
2.4 星系中的暗物质和暗物质宇宙地图 23
2.4.1 暗物质晕 23
2.4.2 暗物质的宇宙地图 24
2.5 宇宙微波背景各向异性 26
2.6 原初核合成：宇宙的重子组分 28
2.7 冷暗物质模型的挑战和暗物质的替代理论 28
2.7.1 冷暗物质模型面临的挑战 28
2.7.2 暗物质的替代理论 30
2.8 寻找解决方案 31
3 银河系和星系暗物质密度分布 33
3.1 银河系简介 33
3.2 银河系中的暗物质 35
4 暗物质候选者 38
4.1 暗物质：运动类型和产生机制，宽泛的特征 39
4.2 暗物质：粒子类型 41
4.3 对可行的暗物质候选者的评论 45
4.4 暗物质候选者质量的范围和限制 47
5 弱相互作用大质量粒子(WIMP) 50
5.1 弱相互作用大质量粒子(WIMP) 50
5.2 超对称WIMP 50
5.3 WIMP物理和宇宙学 51
5.3.1 热残留 52
5.3.2 热暗物质残留 55
5.3.3 冷暗物质残留 57
5.3.4 WIMP奇迹 58
5.4 热产生和非热产生浅谈 59
6 暗物质探测I——WIMP相关 61
6.1 全球深地实验 62
6.2 直接探测——地球实验室的暗物质 64
6.2.1 基本理论概略 65
6.2.2 直接探测实验 68
6.3 星际暗物质的间接探测 71
6.4 高能对撞机的暗物质产生 73
7 暗物质探测II——轻粒子 76
7.1 轴子和类轴子粒子寻找 76
7.2 keV惰性中微子 79
8 暗物质探测现状总结 83
8.1 直接探测 83
8.1.1 直接探测：DAMA/LIBRA 84
8.1.2 直接探测：CDMS-II和超CDMS 86
8.1.3 直接探测：CoGeNT 87
8.1.4 直接探测：CRESST 89
8.2 间接探测 90
8.2.1 间接探测：荷电粒子，正电子和反质子 90
8.2.2 间接探测：光子 93
8.2.3 间接探测：中微子 96
8.2.4 反氘核 98
8.2.5 其他反粒子的寻找 98
8.3 总结 98
8.3.1 实验探测现状 98
8.3.2 展望未来 100
8.3.3 理论杂评 104
下篇 宇宙学相关课题
9 宇宙学入门 111
9.1 爱因斯坦方程和FLRW度规 111
9.1.1 基础知识综述 111
9.1.2 FLRW度规 113
9.1.3 FLRW度规中的爱因斯坦方程 116
9.1.4 宇宙红移 122
9.1.5 作为红移函数的早期宇宙能量分量 124
9.1.6 空间曲率项效应和平坦空间 126
9.1.7 宇宙年龄 127
9.1.8 浅谈哈勃膨胀率的测量 127
9.1.9 牛顿极限和引力势 128
9.2 运动学理论——热力学 130
9.2.1 平衡分布 130
9.2.2 化学势 131
9.2.3 熵 132
9.3 粒子密度的相对论和非相对论行为 134
9.3.1 极端相对论极限 134
9.3.2 非相对论极限 136
9.3.3 内部自由度gj 138
9.3.4 部分详细性质 139
9.4 非热平衡、粒子退耦或物质原始源 142
9.4.1 平衡机制 143
9.4.2 退耦——脱离平衡 145
9.5 早期宇宙的热历史 146
9.5.1 中微子温度和光子温度的分离 146
9.5.2 早期宇宙的温度年表 150
9.5.3 平衡时期的重子-光子比 153
9.5.4 物质-辐射相等 154
9.5.5 复合与最后散射面 155
9.5.6 光子与最后散射面的退耦 159
9.5.7 宇宙简史和宇宙地图 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 宇宙膨胀率 168
10.2.2 相互作用率 168
10.2.3 近似退耦温度Tf和中子冻结分支比 169
10.3 中子分支比的微分方程和初始条件 169
10.3.1 核子转换率 172
10.3.2 微分方程的解 178
10.4 冻结中子分支比 181
10.5 中子衰变效应 183
10.6 阻止中子衰变——轻元素的合成 185
10.7 氦-4的原初分支比 190
10.8 计量重子物质和原初锂问题 191
11 大质量粒子的冻结 194
11.1 粒子产生和湮灭的玻尔兹曼输运方程 194
11.2 粒子数密度的变化率 195
11.3 题外话——里卡蒂方程及其性质 200
11.3.1 转换为线性方程 200
11.3.2 多重解 201
11.3.3 边界条件和唯一解 202
11.4 粒子数密度的解 202
11.5 冻结：冻结温度和粒子丰度 205
11.5.1 冻结生成的残留丰度 205
11.5.2 冻结期 206
11.6.的数值及其物理意义 207
11.6.1 计算 207
11.6.2 临界密度分支比 208
11.6.3 大质量粒子的质量和湮灭截面 209
12 CMB各向异性 211
12.1 CMB各向异性的分类及核心实验 213
12.1.1 CMB各向异性分类 213
12.1.2 关键实验 214
12.2 次级各向异性 216
12.2.1 地球运动引起的各向异性 216
12.2.2 萨亚耶夫-泽尔多维奇效应 217
12.2.3 积分萨奇斯-沃尔夫效应 218
12.3 原初CMB各向异性 218
12.3.1 声学振荡和扰动模型 218
12.3.2 扩散阻尼 220
12.4 各向异性公式 221
12.4.1 am性质，高斯分布，角功率谱 222
12.4.2 角功率谱观测结果 224
12.5 角灵敏度、多极矩和角标度 225
12.5.1 球谐函数分析 225
12.5.2 傅里叶变换分析 226
12.5.3 第一类球贝塞尔函数的若干性质 228
12.6 小涨落和线性宇宙学扰动 231
12.6.1 线性度规扰动及其展开 232
12.6.2 应力-能量张量扰动 235
12.6.3 宇宙学规范变换 238
12.6.4 宇宙学方程的扰动：方程的数目和解 243
12.7 规范固定 246
12.7.1 牛顿规范 247
12.7.2 同步规范 248
12.7.3 关于其他规范、规范转化以及规范解的综述 250
12.8 极早期宇宙扰动——视界之外 251
12.8.1 涉及的问题——初步讨论 251
12.8.2 傅里叶展开与随机性 253
12.8.3 视界以外的守恒 255
12.8.4 绝热解 257
12.9 流体力学极限下的标量扰动演化 261
12.9.1 建立方程组 262
12.9.2 流体力学方程及其初始条件 263
12.9.3 解析解方法 268
12.9.4 长波区域的解 275
12.9.5 短波区域的解 283
12.9.6 长波与短波之间的插入函数(ILS)——转移函数 286
12.10 标量扰动引起的温度各向异性 287
12.10.1 突然透明近似-光子径迹追踪 288
12.10.2 标量扰动引起的温度涨落 291
12.10.3 温度多极系数的显式表示 305
12.10.4 多极系数CTT 310
13 宇宙学距离和时间 314
13.1 引言 314
13.2 FLRW度规 315
13.2.1 过去和未来的光锥 316
13.2.2 有宇宙学常数的冷暗物质模型(ACDM) 316
13.3 距离和时间以及共动径向坐标 318
13.3.1 在FLRW度规下的光传播和类光路径 318
13.3.2 共动径向坐标 319
13.3.3 回溯时间和光传播时间t=t0-t1 320
13.4 哈勃标度，宇宙年龄以及标度因子的显式表示 321
13.4.1 哈勃时间tH和哈勃长度DH 321
13.4.2 宇宙年龄tU，物质-辐射相等的时期tEQ 321
13.4.3 标度因子a的泛函形式 322
13.5 固有距离和相关长度测量 327
13.5.1 固有距离dp,共动距离dc,以及哈勃膨胀 327
13.5.2 粒子视界dph 329
13.5.3 宇宙事件视界 329
13.6 物理距离测量 331
13.6.1 角直径距离dA和共动角直径距离dcA 331
13.6.2 亮度距离dL 332
13.7 平坦空间k=0中的概括性结果 333
13.7.1 结果总结 333
13.7.2 实例：最后散射面及其之后时期 334
13.7.3 宇宙事件视界和宇宙远期未来的概要 334
13.7.4 低红移结果 337
13.7.5 关于时间与哈勃标度因子的三次方程的评述 337
13.8 汇总表 339
附录A 相空间、不变量和刘维尔定理 341
A.1 动量空间中的洛伦兹不变体积元 341
A.2 位形空间中的洛伦兹不变体积元 343
A.3 洛伦兹不变相空间元 344
A.4 刘维尔定理 344
附录B 常用的截面公式 346
B.1 电磁相互作用截面 346
B.1.1 Klein-Nishina公式 346
B.1.2 汤姆逊散射截面 346
B.2 弱相互作用截面 347
B.2.1 缪子寿命 347
B.2.2 轻子弹性散射截面 347
B.2.3 轻子非弹性截面 348
B.2.4 更多中微子轻子时的湮灭截面 348
B.2.5 中微子核子弹性截面 348
B.2.6 两体中微子核子非弹性截面 349
B.2.7 截面的典型数量级 350
附录C 有用的常数和单位转换 351
C.1 自然单位和单位转换 351
C.2 质量和束缚能 352
C.3 有用常数 353
C.4 普朗克量 354
附录D 物理名词中英文对照 355
参考文献 357
本书分为两部分，第一部分主要是对当前暗物质研究现状的综述。内容包括：暗物质的观测证据、银河系和星系暗物质密度分布、暗物质理论基础、暗物质候选者、弱相互作用大质量粒子、轻暗物质粒子，以及暗物质直接和间接探测实验现状的总结等。第二部分主要是对研究暗物质物理所需引力论和宇宙学相关课题的较为详细的介绍。内容涵盖宇宙学入门知识、原初核合成、大质量粒子的冻结、宇宙微波背景各向异性和宇宙学距离及时间等。
本书适合理论物理、粒子物理专业研究生和物理类高年级本科生阅读，也可供从事暗物质研究的学者参考。另外从事理论物理和天体物理等研究方向的学者，以及对暗物质研究感兴趣的公众也可以由此书了解暗物质的研究现状。
（本期编辑：王芳）
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