Кафедра фундаментальных взамодействий и космологии
Введение в астрофизику частиц
Лектор: М.Ю. Кузнецов
Время проведения: пн., 12:10
Форма отчётности: экзамен
Программа курса:
I. Темная материя (ТМ).
1. Астрофизика частиц как область науки: направления, особенности, связь с физикой высоких энергий. Темная материй: историческая параллель - открытие Нептуна. Теорема вириала. Наблюдательные указания на присутствие невидимой материи: дисперсия скоростей в скоплениях галактик, кривые вращения галактик. Распределения ТМ в галактиках.
2. Общие ограничения на свойства частиц темной материи из наблюдений. ТМ в ранней Вселенной: тепловое рождение. Холодная и горячая ТМ.
3. Закалка тяжелых реликтовых частиц. Слабовзаимодействующие массивные частицы как естественный кандидат на роль ТМ (WIMP Miracle). Ограничение на массу частиц темной материи рождающейся термально.
4. Поиск негравитационного сигнала темной материи. Непрямой поиск ТМ в различных астрофизических данных. Прямой поиск ТМ в низкофоновых экспериментах.
5*. Особенности макроскопической динамики ТМ и астрономические наблюдения: too big to fail, core/cusp problem и т.д.
II. Космические лучи (КЛ).
6. Наблюдаемые свойства КЛ: плотность потока, спектр. Распространение космических лучей в межзвездной среде. Эффект Грейзена-Зацепина-Кузьмина. Теоретическое предсказание спектра космических лучей ультравысоких энергий (КЛУВЭ). Распространение заряженных частиц в магнитных полях. Оценка размытия источников и запаздывания сигнала.
7*. Наблюдение космических лучей: широкие атмосферные ливни. Реконструкция направления и энергии первичной частицы. Оценка типа первичной частицы. Мюонная проблема.
8. Ускорения космические лучей до сверхвысоких энергий. Механизм Ферми 2-ого порядка. Механизм Ферми 1-ого порядка: ускорение в ударных волнах.
9. Общие ограничения на ускорители КЛУВЭ: критерий Хилласа, критерий Птициной-Троицкого. Критерий Блэндфорда. Транзиентные источники.
10. Космические лучи в Галактике: уравнение диффузии, модель "leaky box". Массовый состав, отношение бор/углерод. Оценка общей энергетики, сверхновые как возможный источник. Вторичные гамма и нейтринные сигналы от ускорителей КЛ.
11. Поиск источников КЛУВЭ из наблюдений: характерные сигнатуры для поиска. Общая схема поиска статистических корреляций в данных.
12*. Поиск источников КЛУВЭ из наблюдений: ограничение на концентрацию источников из присутствия дублетов событий, из автокорреляционной функции, из присутствия событий с максимальной энергией.
13*. Вторичные сигналы от распространения КЛУВЭ: космогенные фотоны, космогенные нейтрино. Зависимость от интенсивности космических фоновых излучений и от состава КЛУВЭ. Перспективы наблюдения.
III. Космические магнитные поля.
14. Общий обзор: галактическое магнитное поле, поля внегалактических структур, космологическое магнитное поле. Возможные механизмы происхождения космических магнитных полей. Фарадеевское вращение и наблюдательные ограничения на внегалактическое магнитное поле.
15. Распространение электромагнитных каскадов в крупномасштабных магнитных полях. Ограничения на внегалактическое магнитное поле из гамма-наблюдений далеких источников. Ограничения на магнитные поля из наблюдений КЛУВЭ.
* факультативно.
Рекомендуемая литература:
Литература:
1. Д.С. Горбунов, В.А. Рубаков, Введение в теорию ранней Вселенной. Теория горячего Большого взрыва, М.: УРСС, 2008.
2. G. Bertone (editor), Particle Dark Matter, Cambridge University Press, 2010.
3. M. Cirelli et al., PPPC 4 DM ID: A Poor Particle Physicist Cookbook for Dark Matter Indirect Detection, JCAP 03 (2011), 051, [arXiv:1012.4515 [hep-ph]].
4. T. Gaisser, R. Engel, E. Resconi, Cosmic Rays and Particle Physics, Cambridge University Press, 2016.
5. М. Vietri, Foundations of high-energy astrophysics, University Of Chicago Press, 2008.
6. G. Sigl, Astroparticle Physics: Theory and Phenomenology, Atlantis Press, 2017.
7. С.В. Троицкий, Космические частицы с энергиями выше 10^19 эВ: краткий обзор результатов, УФН 183 323-330, (2013).
8. R. Durrer, A. Neronov, Cosmological Magnetic Fields: Their Generation, Evolution and Observation, Astron. Astrophys. Rev. 21, 62 (2013), [arXiv:1303.7121 [astro-ph.CO]].
9. A. Shukurov, K. Subramanian, Astrophysical Magnetic Fields, Cambridge University Press, 2022.
Материалы по курсу, файлы: