[論文レビュー] AXIAL ANOMALY IN 3HE-A: SIMULATION OF BARYOGENESIS AND GENERATION OF PRIMORDIAL MAGNETIC FIELDS IN MANCHESTER AND HELSINKI

G. E. Volovik|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 1998

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 59被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、超流動3He-Aが高エネルギー物理学現象の凝縮系アナログを提供することを提案し、ギャップなしフェルミ粒子励起が電荷および運動量の保存の破れを媒介することにより、軸性異常効果を示している。このメカニズムにより、反物質を生成せずに物質が生成され、原始的な磁場が生成され、スピンのダイナミクスと反流れ不安定性が初期宇宙におけるバリオジェネシスおよびハイパーマグネティック場生成を模倣する。

ABSTRACT

Abstract The gapless fermionic excitations in superfluid 3He-A have a “relativistic” spectrum close to the gap nodes. They are the counterpart of chiral particles (left-handed and right-handed) in high-energy physics above the electroweak transition. We discuss the effective gravity and effective gauge fields induced by these massless fermions in the low-energy corner. The interaction of the chiral fermions with the gauge field in 3He-A is discussed in detail. It gives rise to the effect of axial anomaly: conversion of charge from the coherent motion of the condensate (vacuum) to the quasiparticles (matter). The charge of the quasiparticles is thus not conserved. In other words, matter can be created without creating antimatter. This effect is instrumental for vortex dynamics, in which the vortex is the mediator of conversion of linear momentum from the condensate to the normal component via spectral flow in the vortex core. The same effect leads to the instability of the counterflow in 3He-A, in which the flow of the normal component (incoherent degrees of freedom) is transformed to the order parameter texture (coherent degrees of freedom). We discuss the analogues of these phenomena in high-energy physics. The conversion of the momentum from the vortex to the heat bath is equivalent to the nonconservation of baryon number in the presence of textures and cosmic strings. The counterflow instability is equivalent to the generation of the hypermagnetic field via the axial anomaly. We discuss also an analogue of axions and different sources of the mass of the `hyperphoton' in 3He-A.

研究の動機と目的

• 3He-Aを高エネルギー物理学における軸性異常効果を研究する実験的アナログとして確立すること。
• 3He-A内のキラルフェルミオンが電荷および運動量の保存の破れを引き起こすメカニズムを調査すること、これはバリオン数の保存の破れに類似している。
• 渦のダイナミクスと凝縮相の運動量から準粒子励起への変換の関係を探索すること。
• 反流れ不安定性を、軸性異常によるハイパーマグネティック場生成のアナログとしてモデル化すること。
• 3He-A系におけるアキソン類似モードおよびハイパーフォトン質量のアナログを特定すること。

提案手法

• 低エネルギー有効理論を分析し、相対論的分散関係を示すギャップノード近傍のギャップなしフェルミオンモードに注目する。
• 超流動状態におけるキラルフェルミオンが誘導する有効重力およびゲージ場を導出する。
• 軸性異常形式を用いて、凝縮相（真空）から準粒子（物質）への電荷変換を記述する。
• 渦コアのダイナミクスを、凝縮相から通常成分への運動量転送を実現するスペクトルフロー機構としてモデル化する。
• 非一様な流れが秩序パラメータのテクスチャーに変換される過程として、反流れ不安定性を研究する。
• 3He-Aハミルトニアンに現れる有効ゲージ場およびアキソンに類似したモードを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3He-Aにおける軸性異常は、どのように準粒子電荷の保存の破れを引き起こすか？
• RQ2 スペクトルフローを介して、渦が凝縮相から準粒子への運動量転送をどのように媒介するか？
• RQ3 3He-Aにおける反流れ不安定性は、初期宇宙におけるハイパーマグネティック場生成をどのように模倣するか？
• RQ4 3He-A系におけるアキソンおよびハイパーフォトンのアナログは何か？
• RQ5 3He-Aにおけるキラルフェルミオン励起から、どのように有効重力およびゲージ場が出現するか？

主な発見

• 3He-Aにおける軸性異常は、準粒子電荷の保存の破れを引き起こし、反物質を生成せずに物質生成を可能にする。
• 渦コアのダイナミクスは、凝縮相の運動量を熱浴励起に変換するメカニズムを提供し、宇宙ひもにおけるバリオン数保存の破れに類似している。
• 3He-Aにおける反流れ不安定性は、有効ゲージ場の生成をもたらし、軸性異常によるハイパーマグネティック場生成を模倣する。
• この系は、有効ゲージ場およびアキソンに類似したモードを示し、ハイパーフォトン質量生成のメカニズムが存在する可能性がある。
• 3He-Aの有効場理論は、高エネルギー物理学の主要な特徴を再現しており、キラル異常およびトポロジカル欠陥におけるスペクトルフローが含まれる。
• 3He-Aの低エネルギーダイナミクスは、宇宙論におけるバリオジェネシスおよび原始的磁場を研究するための制御可能なアナログを提供する。