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: missing satellites, too big to fail, core/cusp problem и т.д.
II. Космические лучи (КЛ).
6. Наблюдаемые свойства КЛ: плотность потока, спектр. Ускорения космические лучей до высоких энергий. Механизм Ферми 2-ого порядка. Механизм Ферми 1-ого порядка: ускорение в ударных волнах. Оценка максимальной энергии.
7*. Наблюдение космических лучей: широкие атмосферные ливни. Реконструкция направления и энергии первичной частицы. Оценка типа первичной частицы. Мюонная проблема.
8. 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.
9*. Модели космических лучей высоких энергий. Теории происхождения "колена": предел ускорения, модель убегания, модель одного источника; их проверка. Переход от галактических к внегалактическим КЛ.
10. Космические лучи ультравысоких энергий (КЛУВЭ). Распространение космических лучей в межзвездной среде. Эффект Грейзена-Зацепина-Кузьмина. Теоретическое предсказание спектра КЛУВЭ. Распространение КЛУВЭ в магнитных полях.
11*. Общие ограничения на ускорители КЛУВЭ: критерий Хилласа, критерий Птициной-Троицкого. Критерий Блэндфорда. Транзиентные источники.
12*. 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.
13. 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.
14. 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.
Полная программа курса: >>>
Рекомендуемая 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: