[論文レビュー] Influence of the hypermagnetic field noise on the baryon asymmetry generation in the symmetric phase of the early universe

Maxim Dvornikov, V. B. Semikoz|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 21被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、電弱転移以前の初期宇宙の対称相において、ランダムな超磁場（HMF）によって駆動される乱流が、バリオンおよびレプトンの非対称性をどのように抑制するかを調査する。標準模型の第一世代を簡略化したモデルを用いて、HMFによって引き起こされる流体乱流—ローレンツ力支配のナビエ＝ストークス力学に従う—がエネルギーおよびヘリシティスペクトルを強化し、特に初期HMFが強い場合にはフェルミオン非対称性、特に宇宙のバリオン非対称性（BAU）が顕著に減少することを示している。

ABSTRACT

We study a matter turbulence caused by strong random hypermagnetic fields (HMFs ) that influence the baryon asymmetry evolution due to the Abelian anomalies in the symmetric phase in the early Universe. Such a matter turbulence is stipulated by the presence of the advection term in the induction equation for which a fluid velocity is dominated by the Lorentz force in the Navier-Stokes equation. For random HMFs, having nonzero mean squared strengths, we calculate the spectra for the HMF energy and the HMF helicity densities. The latter function governs the evolution of the fermion asymmetries in the symmetric phase before the electroweak phase transition (EWPT). In the simplest model based on the first SM generation for the lepton asymmetries of $e_\mathrm{R,L}$ and $ u_{e_\mathrm{L}}$, we calculate a decline of all fermion asymmetries including the baryon asymmetry, given by the `t Hooft conservation law, when one accounts for a turbulence of HMFs during the universe cooling down to EWPT. We obtain that the stronger the mean squared strength of random initial HMFs is, the deeper the fermion asymmetries decrease, compared to the case in the absence of any turbulence.

研究の動機と目的

• 強いランダムな超磁場（HMF）によって誘発される物質の乱流が、初期宇宙におけるバリオンおよびレプトン非対称性の進化に与える影響を調査すること。
• HMFからのローレンツ力によって駆動される乱流の流体運動が、HMFエネルギーおよびヘリシティスペクトルの進化に与える影響を検討すること。
• ランダムなHMFが存在する中での乱流による拡散が、フェルミオン非対称性（バリオン非対称性を含む）の抑制に与える影響を評価すること。
• 電弱転移以前の段階で、't Hooftの異常保存則に従うフェルミオン非対称性の進化が、HMFのヘリシティおよび乱流によってどのように変化するかを定量化すること。
• 乱流ノイズの有無にかかわらず、初期HMF強度およびヘリシティパラメータの変化に伴う非対称性の進化を比較すること。

提案手法

• 相対論的プラズマにおけるローレンツ力支配のナビエ＝ストークス解を用いて流速をモデル化：v = τd(∇×BY)×BY/(p+ρ)，ここでτdは抵抗時間で、p=ρ/3である。
• 流速モデルを用いてHMFの関数として明示的に表現された、拡散項∇×(v×BY)を含む誘導（ファラデー）方程式を導出する。
• 平均がゼロだが、平均二乗強度が非ゼロであるランダムなHMFの下で、HMFエネルギー密度（EBY）およびヘリシティ密度（HBY）のスペクトルを計算する。
• 乱流寄与を有効導電率（ηeff）およびフェルミオン非対称性進化を支配する手動異常係数（αY）に組み込む。
• 右電子（eR）、左電子（eL）、左ニュートリノ（νeL）の非対称性の運動方程式を解き、B⁴Yに比例するノイズ項を含む。
• 初期HMF強度（B(0)Y = 7×10²⁵ Gおよび7×10²⁶ G）およびヘリシティパラメータ（q=1で完全ヘリカル、q=0.1で部分ヘリカル）を変化させた数値シミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HMF駆動乱流は、初期宇宙の対称相におけるHMFエネルギーおよびヘリシティスペクトルの進化にどのように影響するか？
• RQ2 ランダムなHMFからのローレンツ力によって駆動される乱流拡散は、バリオン非対称性（BAU）を含むフェルミオン非対称性をどの程度抑制するか？
• RQ3 初期HMF強度およびヘリシティパラメータ（q）は、乱流による非対称性洗い流しの程度にどのように影響するか？
• RQ4 乱流が存在しない状況において、B⁴Yに比例するノイズ項が有効導電率および手動異常係数に与える定量的影響は何か？
• RQ5 乱流条件下で、完全ヘリカル（q=1）と部分ヘリカル（q=0.1）のHMF構成の間で結果にどのような差が生じるか？

主な発見

• 強いランダムHMFがローレンツ力によって駆動する乱流による流体運動は、有効散乱を顕著に増大させ、HMFエネルギーおよびヘリシティスペクトルの進化を変化させる。
• 物質の乱流が存在することで、ノイズなしの場合と比較してフェルミオン非対称性（バリオン非対称性を含む）が顕著に抑制され、初期HMFが強いほど洗い流しが深くなる。
• 初期HMF強度がB(0)Y = 7×10²⁶ G（˜B(0)Y = 1.4×10⁻¹）の場合、バリオン非対称性はノイズなし状態と比較して最大10倍まで減少し、特に完全ヘリカルの場合（q=1）に顕著である。
• 非対称性の洗い流し効果は、初期HMFエネルギーおよびヘリシティが大きいほど顕著であり、B⁴Yに比例するノイズ項が有効係数α±およびηeffの進化を支配する。
• 数値結果から、短い時間進化（TRL−T < 10 GeV）では、完全ヘリカルHMFの場合（q=1）に非対称性の抑制が最も顕著であり、乱流状態ではBAUが約10⁻¹⁴に低下するのに対し、ノイズなし状態では約10⁻¹²にとどまる。
• このモデルは、強いHMFからの乱流が、初期非対称性が十分に大きくない限り、HMF駆動バリオゲネシスの可能性を制限する主要な洗い流し機構である可能性を示している。