Matter, Dark Matter, and Anti-Matter: In Search of the Hidden Universe

197 Pages·2012·20.12 MB·English

by  Alain Mazure

Matter, Dark Matter, and Anti-Matter
In Search of the Hidden Universe

Alain Mazure and Vincent Le Brun
Matter, Dark Matter,
and Anti-Matter
In Search of the Hidden Universe
Published in association with
~Springer Praxis Publishing
Chichester, UK
(cid:8)(cid:6) (cid:12)(cid:25)(cid:3)(cid:13)(cid:10) (cid:2)(cid:3)(cid:26)(cid:27)(cid:6)(cid:5) (cid:8)(cid:6) (cid:28)(cid:13)(cid:10)(cid:17)(cid:5)(cid:10)(cid:4) (cid:29)(cid:5) (cid:30)(cid:6)(cid:27)(cid:10)
(cid:8)(cid:13)(cid:6)(cid:5)(cid:17)(cid:4)(cid:19)(cid:6) (cid:19)(cid:20) &(cid:5)(cid:24)(cid:5)(cid:3)(cid:6)(cid:17)(cid:18) (cid:12)(cid:24)(cid:24)(cid:13)(cid:24)(cid:4)(cid:3)(cid:10)(cid:4) (cid:31)(cid:6)(cid:19)(cid:20)(cid:5)(cid:24)(cid:24)(cid:19)(cid:6)
(cid:29)(cid:3) (cid:19)(cid:6)(cid:3)(cid:4)(cid:19)(cid:13)(cid:6)(cid:5) (cid:11)’(cid:12)(cid:24)(cid:4)(cid:6)(cid:19)((cid:18))(cid:24)(cid:13)*(cid:27)(cid:5) (cid:29)(cid:3) (cid:19)(cid:6)(cid:3)(cid:4)(cid:19)(cid:13)(cid:6)(cid:5) (cid:11)’(cid:12)(cid:24)(cid:4)(cid:6)(cid:19)((cid:18))(cid:24)(cid:13)*(cid:27)(cid:5)
(cid:11)(cid:5) (cid:2)(cid:3)(cid:6)(cid:24)(cid:5)(cid:13)(cid:25)(cid:25)(cid:5) (cid:11)(cid:5) (cid:2)(cid:3)(cid:6)(cid:24)(cid:5)(cid:13)(cid:25)(cid:25)(cid:5)
$+&(cid:16) (cid:12)(cid:13)"(cid:14)(cid:2)(cid:3)(cid:6)(cid:24)(cid:5)(cid:13)(cid:25)(cid:25)(cid:5) (cid:22)(cid:10)(cid:13)(cid:23)(cid:5)(cid:6)(cid:24)(cid:13)(cid:4)(cid:5),
-(cid:6)(cid:3)(cid:10)(cid:17)(cid:5) -(cid:6)(cid:3)(cid:10)(cid:17)(cid:5)
.(cid:6)(cid:13)#(cid:13)(cid:10)(cid:3)(cid:25)-(cid:6)(cid:5)(cid:10)(cid:17)(cid:18)(cid:5)(cid:11)(cid:13)(cid:4)(cid:13)(cid:19)(cid:10)/(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:6)(cid:9)(cid:6)(cid:4)(cid:3)(cid:10)(cid:4)(cid:5)(cid:11)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:6)(cid:12)(cid:13)(cid:14)(cid:3)(cid:8)(cid:6)(cid:15)(cid:16)(cid:6)(cid:8)(cid:15)(cid:16)(cid:6)(cid:17)(cid:18)(cid:6)(cid:14)(cid:3)(cid:11)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:6)(cid:19)(cid:6)(cid:8)(cid:18)(cid:20)(cid:6)
(cid:31)(cid:27) (cid:25)(cid:13)(cid:24)(cid:18)(cid:5)(cid:11) (cid:2) 0(cid:11)(cid:13)(cid:4)(cid:13)(cid:19)(cid:10)(cid:24) (cid:8)(cid:27)(cid:10)(cid:19)(cid:11)(cid:7) (cid:31)(cid:3)(cid:6)(cid:13)(cid:24) 1223
.(cid:27)(cid:23)(cid:6)(cid:3)#(cid:5) ((cid:27) (cid:25)(cid:13)(cid:5), (cid:3)(cid:23)(cid:5)(cid:17) (cid:25)(cid:5) (cid:17)(cid:19)(cid:10)(cid:17)(cid:19)(cid:27)(cid:6)(cid:24) (cid:11)(cid:27) (cid:2)(cid:13)(cid:10)(cid:13)(cid:24)(cid:4)(cid:5)4(cid:6)(cid:5) (cid:20)(cid:6)(cid:3)(cid:10)(cid:17)5(cid:3)(cid:13)(cid:24) (cid:17)(cid:18)(cid:3)(cid:6)#(cid:5), (cid:11)(cid:5) (cid:25)(cid:3) $(cid:27)(cid:25)(cid:4)(cid:27)(cid:6)(cid:5) 6 $(cid:5)(cid:10)(cid:4)(cid:6)(cid:5)
+(cid:3)(cid:4)(cid:13)(cid:19)(cid:10)(cid:3)(cid:25) (cid:11)(cid:27) (cid:29)(cid:13)(cid:23)(cid:6)(cid:5)
7(cid:18)(cid:13)(cid:24) !(cid:19)(cid:6)(cid:9) (cid:18)(cid:3)(cid:24) (cid:5)(cid:5)(cid:10) ((cid:27) (cid:25)(cid:13)(cid:24)(cid:18)(cid:5)(cid:11) !(cid:13)(cid:4)(cid:18) (cid:4)(cid:18)(cid:5) (cid:20)(cid:13)(cid:10)(cid:3)(cid:10)(cid:17)(cid:13)(cid:3)(cid:25) (cid:18)(cid:5)(cid:25)( (cid:19)(cid:20) (cid:4)(cid:18)(cid:5) -(cid:6)(cid:5)(cid:10)(cid:17)(cid:18) (cid:2)(cid:13)(cid:10)(cid:13)(cid:24)(cid:4)(cid:5)4(cid:6)(cid:5) (cid:11)(cid:5) (cid:25)(cid:3)
$(cid:27)(cid:25)(cid:4)(cid:27)(cid:6)(cid:5) 6 $(cid:5)(cid:10)(cid:4)(cid:6)(cid:5) +(cid:3)(cid:4)(cid:13)(cid:19)(cid:10)(cid:3)(cid:25) (cid:11)(cid:27) (cid:29)(cid:13)(cid:23)(cid:6)(cid:5)
7(cid:6)(cid:3)(cid:10)(cid:24)(cid:25)(cid:3)(cid:4)(cid:19)(cid:6)/ (cid:30)(cid:19) (cid:2)(cid:13)(cid:26)(cid:19)(cid:10)(cid:7) 89 7(cid:18)(cid:5) (cid:28)(cid:13)(cid:10)(cid:5)(cid:6)(cid:13)(cid:5)(cid:24)(cid:7) $(cid:19)(cid:25)(cid:5)(cid:18)(cid:13)(cid:25)(cid:25)(cid:7) :(cid:13); (cid:19)(cid:6)(cid:10)(cid:5)(cid:7) (cid:8)(cid:19)(cid:6)(cid:24)(cid:5)(cid:4)(cid:7) (cid:22)%
(cid:16)(cid:31)&(cid:15)+<0&6(cid:31)&(cid:12)=(cid:15)(cid:16) (cid:30)..%(cid:16) (cid:15)+(cid:31).(cid:31)(cid:22)(cid:29)(cid:12)& (cid:12)(cid:16)7&.+.(cid:2)>
(cid:16)(cid:22)(cid:30)?0$7(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:9)(cid:10)(cid:3)(cid:5)(cid:11)(cid:7)(cid:8)/ ?(cid:19)(cid:18)(cid:10)(cid:2)(cid:3)(cid:24)(cid:19)(cid:10)(cid:7)(cid:2)@(cid:30)@0@(cid:7) (cid:30)@(cid:16)(cid:17)@(cid:7) (cid:2)@(cid:16)(cid:17)@(cid:7) (cid:31)(cid:18)@(cid:8)@
(cid:15)(cid:16)(cid:30)+ 3A9(cid:14)B(cid:14)CCB3(cid:14)991B(cid:14)9 (cid:5)(cid:14)(cid:15)(cid:16)(cid:30)+ 3A9(cid:14)B(cid:14)CCB3(cid:14)9911(cid:14)D
(cid:8).(cid:15) B2@B22AE3A9(cid:14)B(cid:14)CCB3(cid:14)9911(cid:14)D
(cid:16)((cid:6)(cid:13)(cid:10)#(cid:5)(cid:6)+(cid:5)!>(cid:19)(cid:6)(cid:9) (cid:8)(cid:19)(cid:6)(cid:11)(cid:6)(cid:5)(cid:17)(cid:18)(cid:4) (cid:21)(cid:5)(cid:13)(cid:11)(cid:5)(cid:25) (cid:5)(cid:6)# (cid:29)(cid:19)(cid:10)(cid:11)(cid:19)(cid:10)
(cid:29)(cid:13) (cid:6)(cid:3)(cid:6))(cid:19)(cid:20) $(cid:19)(cid:10)#(cid:6)(cid:5)(cid:24)(cid:24)$(cid:19)(cid:10)(cid:4)(cid:6)(cid:19)(cid:25)+(cid:27); (cid:5)(cid:6)/12BB3C28B(cid:29)
(cid:2) (cid:16)((cid:6)(cid:13)(cid:10)#(cid:5)(cid:6) (cid:16)(cid:17)(cid:13)(cid:5)(cid:10)(cid:17)(cid:5)F(cid:30)(cid:27)(cid:24)(cid:13)(cid:10)(cid:5)(cid:24)(cid:24) (cid:2)(cid:5)(cid:11)(cid:13)(cid:3)(cid:7)(cid:29)(cid:29)$ 12B1
(cid:12)(cid:25)(cid:25) (cid:6)(cid:13)#(cid:18)(cid:4)(cid:24)(cid:6)(cid:5)(cid:24)(cid:5)(cid:6)(cid:23)(cid:5)(cid:11)@7(cid:18)(cid:13)(cid:24) !(cid:19)(cid:6)(cid:9);(cid:3)) (cid:10)(cid:19)(cid:4) (cid:5)(cid:4)(cid:6)(cid:3)(cid:10)(cid:24)(cid:25)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:11) (cid:19)(cid:6)(cid:17)(cid:19)((cid:13)(cid:5)(cid:11)(cid:13)(cid:10)!(cid:18)(cid:19)(cid:25)(cid:5) (cid:19)(cid:6) (cid:13)(cid:10)((cid:3)(cid:6)(cid:4)!(cid:13)(cid:4)(cid:18)(cid:19)(cid:27)(cid:4)(cid:4)(cid:18)(cid:5)
!(cid:6)(cid:13)(cid:4)(cid:4)(cid:5)(cid:10)((cid:5)(cid:6);(cid:13)(cid:24)(cid:24)(cid:13)(cid:19)(cid:10)(cid:19)(cid:20) (cid:4)(cid:18)(cid:5) ((cid:27) (cid:25)(cid:13)(cid:24)(cid:18)(cid:5)(cid:6) G(cid:16)((cid:6)(cid:13)(cid:10)#(cid:5)(cid:6) (cid:16)(cid:17)(cid:13)(cid:5)(cid:10)(cid:17)(cid:5)F(cid:30)(cid:27)(cid:24)(cid:13)(cid:10)(cid:5)(cid:24)(cid:24) (cid:2)(cid:5)(cid:11)(cid:13)(cid:3)(cid:7) (cid:29)(cid:29)$(cid:7) 188 (cid:16)((cid:6)(cid:13)(cid:10)#(cid:16)(cid:4)(cid:6)(cid:5)(cid:5)(cid:4)(cid:7)
+(cid:5)! >(cid:19)(cid:6)(cid:9)(cid:7) +> B22B8(cid:7) (cid:22)(cid:16)(cid:12)H(cid:7) (cid:5)"(cid:17)(cid:5)((cid:4) (cid:20)(cid:19)(cid:6) (cid:6)(cid:13)(cid:5)(cid:20) (cid:5)"(cid:17)(cid:5)(cid:6)((cid:4)(cid:24) (cid:13)(cid:10) (cid:17)(cid:19)(cid:10)(cid:10)(cid:5)(cid:17)(cid:4)(cid:13)(cid:19)(cid:10) !(cid:13)(cid:4)(cid:18) (cid:6)(cid:5)(cid:23)(cid:13)(cid:5)!(cid:24) (cid:19)(cid:6) (cid:24)(cid:17)(cid:18)(cid:19)(cid:25)(cid:3)(cid:6)(cid:25))
(cid:3)(cid:10)(cid:3)(cid:25))(cid:24)(cid:13)(cid:24)@ (cid:22)(cid:24)(cid:5) (cid:13)(cid:10) (cid:17)(cid:19)(cid:10)(cid:10)(cid:5)(cid:17)(cid:4)(cid:13)(cid:19)(cid:10) !(cid:13)(cid:4)(cid:18) (cid:3)(cid:10)) (cid:20)(cid:19)(cid:6); (cid:19)(cid:20) (cid:13)(cid:10)(cid:20)(cid:19)(cid:6);(cid:3)(cid:4)(cid:13)(cid:19)(cid:10) (cid:24)(cid:4)(cid:19)(cid:6)(cid:3)#(cid:5) (cid:3)(cid:10)(cid:11) (cid:6)(cid:5)(cid:4)(cid:6)(cid:13)(cid:5)(cid:23)(cid:3)(cid:25)(cid:7) (cid:5)(cid:25)(cid:5)(cid:17)(cid:4)(cid:6)(cid:19)(cid:10)(cid:13)(cid:17)
(cid:3)(cid:11)(cid:3)((cid:4)(cid:3)(cid:4)(cid:13)(cid:19)(cid:10)(cid:7)(cid:17)(cid:19);((cid:27)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:24)(cid:19)(cid:20)(cid:4)!(cid:3)(cid:6)(cid:5)(cid:7)(cid:19)(cid:6) )(cid:24)(cid:13);(cid:13)(cid:25)(cid:3)(cid:6)(cid:19)(cid:6)(cid:11)(cid:13)(cid:24)(cid:24)(cid:13);(cid:13)(cid:25)(cid:3)(cid:6);(cid:5)(cid:4)(cid:18)(cid:19)(cid:11)(cid:19)(cid:25)(cid:19)#)(cid:10)(cid:19)!(cid:9)(cid:10)(cid:19)!(cid:10)(cid:19)(cid:6)(cid:18)(cid:5)(cid:6)(cid:5)(cid:3)(cid:20)(cid:4)(cid:5)(cid:6)
(cid:11)(cid:5)(cid:23)(cid:5)(cid:25)(cid:19)((cid:5)(cid:11)(cid:13)(cid:24) (cid:20)(cid:19)(cid:6) (cid:13)(cid:11)(cid:11)(cid:5)(cid:10)@
7(cid:18)(cid:5)(cid:27)(cid:24)(cid:5)(cid:13)(cid:10)(cid:4)(cid:18)(cid:13)(cid:24)((cid:27) (cid:25)(cid:13)(cid:17)(cid:3)(cid:4)(cid:13)(cid:19)(cid:10)(cid:19)(cid:20)(cid:4)(cid:6)(cid:3)(cid:11)(cid:5)(cid:10)(cid:3);(cid:5)(cid:24)(cid:7)(cid:4)(cid:6)(cid:3)(cid:11)(cid:5);(cid:3)(cid:6)(cid:9)(cid:24)(cid:7)(cid:24)(cid:5)(cid:6)(cid:23)(cid:13)(cid:17)(cid:5);(cid:3)(cid:6)(cid:9)(cid:24)(cid:7)(cid:3)(cid:10)(cid:11)(cid:24)(cid:13);(cid:13)(cid:25)(cid:3)(cid:6)(cid:4)(cid:5)(cid:6);(cid:24)(cid:7)(cid:5)(cid:23)(cid:5)(cid:10)(cid:13)(cid:20)
(cid:4)(cid:18)(cid:5))(cid:3)(cid:6)(cid:5)(cid:10)(cid:19)(cid:4)(cid:13)(cid:11)(cid:5)(cid:10)(cid:4)(cid:13)(cid:20)(cid:13)(cid:5)(cid:11)(cid:3)(cid:24)(cid:24)(cid:27)(cid:17)(cid:18)(cid:7)(cid:13)(cid:24)(cid:10)(cid:19)(cid:4)(cid:4)(cid:19) (cid:5)(cid:4)(cid:3)(cid:9)(cid:5)(cid:10)(cid:3)(cid:24)(cid:3)(cid:10)(cid:5)"((cid:6)(cid:5)(cid:24)(cid:24)(cid:13)(cid:19)(cid:10)(cid:19)(cid:20)(cid:19)((cid:13)(cid:10)(cid:13)(cid:19)(cid:10)(cid:3)(cid:24)(cid:4)(cid:19)!(cid:18)(cid:5)(cid:4)(cid:18)(cid:5)(cid:6)(cid:19)(cid:6)(cid:10)(cid:19)(cid:4)
(cid:4)(cid:18)(cid:5)) (cid:3)(cid:6)(cid:5)(cid:24)(cid:27) I(cid:5)(cid:17)(cid:4)(cid:4)(cid:19)((cid:6)(cid:19)((cid:6)(cid:13)(cid:5)(cid:4)(cid:3)(cid:6)) (cid:6)(cid:13)#(cid:18)(cid:4)(cid:24)@
$(cid:19)(cid:23)(cid:5)(cid:6)(cid:11)(cid:5)(cid:24)(cid:13)#(cid:10)/?(cid:13);:(cid:13)(cid:25)(cid:9)(cid:13)(cid:5)
7(cid:6)(cid:3)(cid:10)(cid:24)(cid:25)(cid:3)(cid:4)(cid:13)(cid:19)(cid:10)(cid:5)(cid:11)(cid:13)(cid:4)(cid:19)(cid:6)/ (cid:8)(cid:6)?(cid:19)(cid:18)(cid:10)(cid:2)(cid:3)(cid:24)(cid:19)(cid:10)
7)((cid:5)(cid:24)(cid:5)(cid:4)(cid:4)(cid:13)(cid:10)#/(cid:30)(cid:19)(cid:19)(cid:9)0(cid:10)(cid:24)(cid:7) &(cid:19))(cid:24)(cid:4)(cid:19)(cid:10)(cid:7)(cid:21)(cid:5)(cid:6)(cid:4)(cid:24)@(cid:7)(cid:22)%
(cid:31)(cid:6)(cid:13)(cid:10)(cid:4)(cid:5)(cid:11) (cid:19)(cid:10)(cid:3)(cid:17)(cid:13)(cid:11)(cid:14)(cid:20)(cid:6)(cid:5)(cid:5)((cid:3)((cid:5)(cid:6)
(cid:16)((cid:6)(cid:13)(cid:10)#(cid:5)(cid:6) (cid:13)(cid:24)((cid:3)(cid:6)(cid:4) (cid:19)(cid:20)(cid:16)((cid:6)(cid:13)(cid:10)#(cid:5)(cid:6)(cid:16)(cid:17)(cid:13)(cid:5)(cid:10)(cid:17)(cid:5)F(cid:30)(cid:27)(cid:24)(cid:13)(cid:10)(cid:5)(cid:24)(cid:24)(cid:2)(cid:5)(cid:11)(cid:13)(cid:3) (www.springer.com)
To our families
For all the nights spent on telescopes
and all the days on computers ....

Contents
Foreword xi
Authon' preface xiii
Acknowledgments
XV
List of Illustrations xvii
In troductlon xxi
An intriguing absence xxi
1 Matter concentrated 1
Counting the stars 3
The Milky Way: from mythology to science 6
Farther afield in the Galaxy 12
Meaningful relationships 14
2 The realm of the nebulae 17
Island universes 17
Iceberg galaxies 21
Galactic fauna 24
Stars and MACHOs 26
The saga of the dark baryons 28
More about galaxy clusters 31
3 Getting warmer. .. 41
The epic of space 41
X-ray telescopes and detectors 43
Galaxies and 'hot' clusters 48
Hot or cold: no easy reckoning 55
4 Cosmic Cluedo: where, when and how? 57
A creative youth 61
Where do dark matter and anti-matter fit in? 63
The alchemy of the first three minutes 65
When protons and neutrons get together 67
All the baryons 68
viii Matter, Dark Matter, and Anti-Matter
5 300,000 years on: all present and correct 71
Matter takes over 71
A fossil in the sky 73
Structures grow 76
Celestial harmonies 76
Weighing matter and light 79
6 Cosmic canvas 83
Structures rule 83
The first stars and quasars 85
Cooking with leftovers 87
A mysterious forest 91
The final reckoning 94
7 Lifting the veil: simulations 97
From one to three dimensions 98
Tame dark matter 99
The need for semi-analytical methods 102
Fiat lux 103
Simulating the universe in computers 105
Baryons: pinned down at last 108
8 A constant search 113
The optical sky: from naked eye to CCD 113
Space odyssey 120
Four flamboyant (microwave) decades 127
New windows on the cosmos 130
9 From telescopes to accelerators 135
Another standard - and its extensions 136
Neutrinos as dark matter? 138
Direct and indirect research 139
What dark energy? 141
Towards the Big Bang? 144
What's up with particle physics? 146
Appendices 155
Powers of ten 155
Units in high-energy physics 155
The Planck era 156
(cid:20)(cid:18)(cid:13)(cid:7)(cid:28)(cid:10)(cid:22) (cid:18)(cid:2)(cid:12)(cid:6)(cid:17)(cid:7)(cid:24) (cid:17)(cid:27) (cid:6)(cid:18)(cid:13) (cid:9)(cid:5)(cid:2)(cid:3)(cid:13)(cid:7)(cid:12)(cid:13) (cid:2)(cid:5) (cid:11)(cid:7)(cid:2)(cid:13)(cid:27) 157
Contents ix
Glossary 159
Index 167