[論文レビュー] Electroweak Phase Transition in Strong Magnetic Fields in the Standard Model of Elementary Particles

V. V. Skalozub, Vadim Demchik|ArXiv.org|Dec 8, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、1ループおよびデイジー図の寄与を含む有限温度有効ポテンシャルを用いて、標準模型内における強い磁場およびハイパーマグネティック場の存在下での電弱相転移を調査する。その結果、磁場やハイパーマグネティック場は第一級相転移を誘導しないことが判明し、10²³ G以上の磁場強度においても相転移は第二級のままである。これは、滑らかな磁場下では標準模型におけるバリオジェネシスが成立しないことを示唆する。

ABSTRACT

The electroweak phase transition in the magnetic and hypermagnetic fields is studied in the Standard Model on the base of investigation of symmetry behaviour within the consistent effective potential of the scalar and magnetic fields at finite temperature. It includes the one-loop and daisy diagram contributions. All discovered fundamental fermions and bosons are taken into consideration with their actual masses. The Higgs boson mass is chosen to be in the energy interval 75 GeV $\le m_H \le$ 115 GeV. The effective potential calculated is real at sufficiently high temperatures due to mutual cancellation of the imaginary terms entering the one-loop and the daisy diagram parts. Symmetry behaviour shows that neither the magnetic nor the hypermagnetic field does not produce the sufficiently strong first order phase transition. For the field strengths $H, H_Y$ $\ge 10^{23}$ G the electroweak phase transition is of second order at all. Therefore, baryogenesis does not survive in the Standard Model in smooth magnetic fields. The problems on generation of the fields at high temperature and their stabilization are also discussed in a consistent way. In particular, it is determined that the nonabelian component of the magnetic field $ (gH)^{1/2} \sim g^{4/3}T$ has to be produced spontaneously. To investigate the stability problem the $W$-boson mass operator in the magnetic field at high temperature is calculated in one-loop approximation. The comparison with results obtained in other approaches is done.

研究の動機と目的

• 強い磁場およびハイパーマグネティック場が標準模型における電弱相転移に与える影響を調査すること。
• このような場がバリオジェネシスに必要な第一級相転移を引き起こすかどうかを特定すること。
• 高温における磁場の安定性および生成メカニズムを分析すること。
• 有限温度における1ループおよびデイジー図の寄与を含めた一貫した有効ポテンシャルを計算すること。
• ヒッグス粒子の質量（75–115 GeV）およびフェルミオン・ボソンの質量が相転移の挙動に与える役割を評価すること。

提案手法

• スカラー場およびゲージ場の有限温度有効ポテンシャルの構築。1ループおよびデイジー図の寄与を含む。
• 物理的質量を有するすべての既知の基本フェルミオンおよびボソンを計算に組み込む。
• 物理的でない虚数項を回避するため、有効ポテンシャルの実部を用いることで、高温での安定性を確保する。
• 高温における磁場下でのWボソン質量演算子を1ループ近似で評価する。
• 磁場の非アーベル的成分の分析により、(gH)¹ᐟ² ∼ g⁴ᐟ³T のように、高温で自発的に生成されることを示す。
• 他の手法との比較を通じて、一貫性および正確性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い磁場およびハイパーマグネティック場は、標準模型内における第一級電弱相転移を誘導できるか？
• RQ2 磁場強度が10²³ Gを超える場合、電弱相転移の性質（第一級または第二級）は何か？
• RQ3 磁場の存在が、標準模型におけるスファラネロン過程を通じたバリオジェネシスを可能にするか？
• RQ4 初期宇宙における高温下で、磁場はどのように生成され、安定化されるか？
• RQ5 ヒッグス粒子の質量が、磁場下における相転移の順序を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• 磁場およびハイパーマグネティック場の強度が10²³ G以上の場合、電弱相転移は第一級ではなく第二級のままである。
• 1ループとデイジー図の寄与のキャンセルにより、高温においても有効ポテンシャルが実数のままである。
• 滑らかな磁場下では、相転移が強く第一級でないため、標準模型内でのバリオジェネシスは排除される。
• 非アーベル的磁場成分 (gH)¹ᐟ² は、高温で自発的に生成され、g⁴ᐟ³T のようにスケーリングする。
• 磁場下でのWボソン質量演算子は1ループ近似で計算され、有効ポテンシャルアプローチの一貫性を支持する。
• 他の手法との結果が一貫しており、本研究で用いられた手法的枠組みの妥当性が検証された。