[論文レビュー] Fast vacuum decay into particle pairs in strong electric and magnetic fields

Yoshimasa Hidaka, Takumi Iritani+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、強い電場および磁場において、質量ゼロのフェルミオンの場合、最低ランダウ準位（LLL）の支配により、真空のフェルミオン対への崩壊率が発散し、即時の対生成が生じることを示している。LLL射影された有効場理論を用いて、可解な1+1次元のシュヴィンガー模型が導かれ、軸電荷異常を通じた動的光子質量生成と有限な対生成率が得られ、LLL支配領域では熱化が生じないことが示された。

ABSTRACT

We discuss fermion pair productions in strong electric and magnetic fields. We point out that, in the case of massless fermions, the vacuum persistency probability per unit time and volume is zero in the strong electric and magnetic fields, while it is finite when the magnetic field is absent. The contribution from the lowest Landau level (LLL) dominates this phenomenon. We also discuss dynamics of the vacuum decay, using an effective theory of the LLL projection, taking into account the back reaction.

研究の動機と目的

• 共存する強い電場および磁場における真空のフェルミオン対への崩壊を調査すること。
• 特に質量ゼロのフェルミオンの場合に生じる、両方の場が存在する状況における真空崩壊率の発散を解消すること。
• LLL射影に基づく有効場理論を構築し、強場真空崩壊における力学的および反作用の記述を行うこと。
• 最低ランダウ準位が不安定性および無限大の対生成率を引き起こす役割を明確にすること。
• 重イオン衝突におけるクォーカン・グルーオンプラズマ形成、特にグラズマ状態への影響を検討すること。

提案手法

• 著者たちは、QEDおよびQCDにおける強場状態をモデル化するため、共変的に一定の電場および磁場を用いる。
• 3+1次元の力学を最低ランダウ準位（LLL）の寄与に集中させることで、1+1次元の有効理論に簡略化するため、LLL射影を適用する。
• 有効作用はゲージ場に関する二次形式として導かれ、軸電荷異常を通じて動的光子質量が生じる。
• シュヴィンガー機構は非アーベル場へ一般化され、フェルミオン行列式は強い磁場下でWess-Zumino-Witten作用に写像される。
• ゲージ場の運動方程式を解析的に解き、振動する電場および時間に依存する対生成率が得られる。
• 有効作用を介して反作用を組み込み、軸電流を計算することで異常一致が確認される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ質量ゼロのフェルミオンが存在する場合、強い電場および磁場が共存する状況で真空崩壊率が発散するのか？
• RQ2 強い磁場下での真空崩壊に最も寄与するのはどの項か？また、最低ランダウ準位（LLL）はその過程にどのように寄与するか？
• RQ3 LLL射影による有効1+1次元理論が、強場下における3+1次元の真空崩壊過程をどのように記述できるのか？
• RQ4 LLL支配領域における動的光子質量および軸電荷異常の意味は何か？
• RQ5 LLL支配の真空崩壊過程は、熱化またはカオス的力学を引き起こすのか？

主な発見

• 質量ゼロのフェルミオンが共存する強いEおよびB場において、単位時間・体積あたりの真空安定確率はゼロとなり、即時かつ完全な崩壊が生じることを示している。
• 質量ゼロ極限における対生成率wの発散は、磁場存在下での最低ランダウ準位（LLL）の無限大寄与に起因する。
• LLL射影による有効理論により、動的光子質量 mγ² = e³B/(2π²) を持つ可解な1+1次元シュヴィンガー模型に系が簡略化される。
• 有効理論において軸電荷異常は保存されており、∂μj₅μ = (e²B/2π²)E が成り立ち、次元削減された系でも異常一致が確認される。
• 生成された対の数密度は軸電流に比例し、空間的に一様な場では時間に比例して線形に増加する。これは数値結果と整合的である。
• LLL支配領域では熱化が生じない。なぜなら、有効理論は正確に可解であり、カオス的振る舞いを示さないからである。