[論文レビュー] Inflationary Magnetogenesis and Anomaly Cancellation in Electrodynamics

Sumanta Chakraborty, Supratik Pal+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 72被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、初期宇宙における原始的磁場が、量子電磁力学における異常キャンセレーションから生じることを提案する。この現象により共形不変性が破れ、スケールに依存する磁場パワー スペクトルと非自明なスペクトル指数が生成される。このモデルは、インフレーション期に強力な銀河間磁場を生成できる広大なパラメータ空間を予測する。

ABSTRACT

Primordial magnetic field generated in the inflationary era can act as a viable source for present day intergalactic magnetic field of significant strength. We present a fundamental origin for such primordial generation of magnetic field, namely through anomaly cancellation of $U(1)$ gauge field in quantum electrodynamics. Addition of this term explicitly breaks conformal invariance of the theory necessary to generate magnetic field of sufficient strength. We have analysed at length the power spectrum of the magnetic field thus generated. We have also found that magnetic power spectrum has significant scale-dependance giving rise to a non-trivial magnetic spectral index, a key feature of this model. Interestingly, there exists a large parameter space where magnetic field of significant strength can be produced.

研究の動機と目的

• 現在の銀河間磁場を形成する原動力となる原始的磁場の根本的量子的起源を特定すること。
• U(1)ゲージ理論における異常キャンセレーションが共形不変性をどのように破り、インフレーション期に磁場生成を可能にするかを調査すること。
• 生成された磁場のパワー スペクトルとそのスケール依存性を分析すること。
• 宇宙論的に有意義な強度の磁場が生成可能なパラメータ空間を特定すること。

提案手法

• U(1)ゲージ場作用に、フェルミオンの手術的対称性に起因する異常項を組み込み、共形不変性の破れを引き起こす。
• 異常項を含む、手術的フェルミオンとカップルしたU(1)ゲージ場の有効作用を導出する。
• インフレーション期のde Sitter時空において、線形応答理論を用いて磁場パワー スペクトルを計算する。
• パワー スペクトルのスペクトル指数を分析し、そのスケール依存性を評価する。
• さまざまなパラメータ領域における生成磁場の振幅を評価し、現実的な宇宙論的シナリオを特定する。
• 標準的なインフレーション場理論的手法を用いて相関関数を計算し、観測可能な磁場強度を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QEDにおける異常キャンセレーションは、インフレーション期に原始的磁場を生成する根本的メカニズムを提供できるか？
• RQ2 異常項の導入が共形不変性をどのように破り、磁場生成を可能にするか？
• RQ3 磁場パワー スペクトルの関数的形態は何か？ また、顕著なスケール依存性を示すか？
• RQ4 磁場パワー スペクトルのスペクトル指数は何か？ そして、生成された場のコherency にどのように影響するか？
• RQ5 どのパラメータ範囲で、現在の銀河間磁場観測を説明できる程度の強度の磁場が生成可能か？

主な発見

• QEDにおける異常キャンセレーション項は、インフレーション期に原始的磁場を生成する根本的メカニズムを提供する。
• 異常項による共形不変性の明示的破れが、十分な強度の磁場生成に不可欠である。
• 磁場パワー スペクトルは顕著なスケール依存性を示し、非自明なスペクトル指数を持つ。
• このモデルは、宇宙論的に有意義な強度の磁場が生成可能な広大なパラメータ空間を予測する。
• スケールに依存するパワー スペクトルは、磁場強度が異なる宇宙論的スケールで変化することを示唆し、主要な観測可能な特徴である。
• 結果から、異常駆動型磁場生成は、他のインフレーションメカニズムに代わる有効な代替手法である可能性が示唆される。