[論文レビュー] Helical magnetic fields via baryon asymmetry

Eduard F. Piratova, E. A. Reyes R.+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、バリオン非対称性に関連する2つのメカニズム（電弱バリオン生成およびνMSMモデル）を通じてらせん状の原始的磁場（PMFs）が生成可能であると提唱する。正確なスペクトル密度計算を用いて、これらのらせん状PMFsが超視界スケールでスケール不変な重力波（GW）スペクトルを誘導することを示し、小スケールでは振動的減衰を示す。これにより、大スケール宇宙磁場の因果的起源と、強化されたダイナモ効率が得られる。

ABSTRACT

There is strong observational evidence for the presence of large-scale magnetic fields MF in galaxies and clusters, with strength $\sim μ$G and coherence lenght on the order of Kpc. However its origin remains as an outstanding problem. One of the possible explanations is that they have been generated in the early universe. Recently, it has been proposed that helical primordial magnetic fields PMFs, could be generated during the EW or QCD phase transitions, parity-violating processes and predicted by GUT or string theory. Here we concentrate on the study of two mechanisms to generate PMFs, the first one is the $ν$MSM which triggers instability in the Maxwell's equations and leads to the generation of helical PMFs. The second one is the usual electroweak baryogenesis scenario. Finally, we calculate the exact power spectra of these helical PMFs and we show its role in the production of gravitational waves finding a scale-invariant on large scales and an oscillatory motion (damping) for $kη\gg 1$

研究の動機と目的

• らせん状原始的磁場（PMFs）が初期宇宙におけるバリオン非対称性メカニズムによって生成可能かどうかを調査すること。
• 磁場ヘリシティが大スケール磁場増幅に寄与する逆キャスケード過程の効率に与える影響を検討すること。
• 電弱バリオン生成およびνMSMモデルの2つの異なるメカニズムから、らせん状PMFsの正確なスペクトルを導出すること。
• これらのらせん状PMFsによって誘導される重力波（GW）スペクトルのスケール依存性を分析すること。

提案手法

• 無限大の導電率下での原始的磁場の時間発展をモデル化し、磁束およびヘリシティの保存を強制する。
• νMSMフレームワークを用いてレプトゲネシスによるバリオン非対称性を生成し、その後にCP対称性の破れを伴う崩壊がらせん状PMFsを生成する。
• フーリエ空間における2点相関関数を用いて、対称的（S(k)）およびらせん的（A(k)）成分を持つスペクトル密度を定義する。
• PMF相関関数から非等方的応力テンソルΠijを導出し、線形宇宙論的摂動理論によって重力波を励起する。
• GW方程式 ẍ + 2Hẋ + k²x ∼ Π を解き、Wickの定理およびk′に関する角度積分を用いて誘導されたGWスペクトル密度を計算する。
• スペクトルスケーリング則S(k) ∝ k^{n_S}、A(k) ∝ k^{n_A}を用い、パワーロー指数n_S、n_Aを導入して異なるPMF配置をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙におけるバリオン非対称性を介してらせん状原始的磁場を生成できるか？
• RQ2 磁場ヘリシティは、大スケール磁場増幅における逆キャスケード過程の効率にどのように影響するか？
• RQ3 らせん状PMFsによって誘導される重力波スペクトルの正確な形態は何か？
• RQ4 GWスペクトルは超視界および超視界スケールでどのように振る舞うか？
• RQ5 スケール不変なGWスペクトルは、宇宙論的観測にどのような意味を持つか？

主な発見

• らせん状PMFsによって誘導される重力波スペクトル密度は、超視界スケールでハリソン＝ゼルドビッチ（スケール不変）スペクトルを示す。
• 超視界スケールでは、GWスペクトルは急速な振動と減衰を示し、kη ≫ 1の振る舞いと整合的である。
• PMFスペクトルの対称的およびらせん的成分は、それぞれスペクトル指数n_Sおよびn_Aを用いてモデル化され、S(k) ∝ k^{n_S}およびA(k) ∝ k^{n_A}の関係に従う。
• 誘導されたGWスペクトル密度は、S(k′)およびA(|k−k′|)の畳み込みに依存し、βおよびγパラメータに角度依存性が符号化されている。
• このモデルは、バリオン非対称性を介して生成されたらせん状PMFsが、強化されたダイナモ作用により大スケール磁場を効率的に種まき可能であると予測する。
• 数値的結果は、GWスペクトルが大スケールで一定であり、小スケールで振動しながら減衰することを確認しており、宇宙磁場の因果的起源を支持する。