[論文レビュー] Intercommutation of U(1) global cosmic strings

Guy D. Moore|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、U(1)グローバル宇宙ひもの相互作用ダイナミクスを調査し、長距離相互作用がスケールをまたいで衝突角および相対速度を再正則化することを示しており、微視的スケールではほぼ反平行で相対論的衝突が生じることを明らかにした。先行研究とは対照的に、O(2)対称性を持つグローバルひもモデルでは、このような衝突が常に相互作用交差を引き起こすことを示しており、axionのひもネットワークのシミュレーションにおいても相互作用交差を仮定すべきであることを示唆している。

ABSTRACT

Global strings (those which couple to Goldstone modes) may play a role in cosmology. In particular, if the QCD axion exists, axionic strings may control the efficiency of axionic dark matter abundance. The string network dynamics depend on the string intercommutation efficiency (whether strings re-connect when they cross). We point out that the velocity and angle in a collision between global strings "renormalize" between the network scale and the microscopic scale, and that this plays a significant role in their intercommutation dynamics. We also point out a subtlety in treating intercommutation of very nearly antiparallel strings numerically. We find that the global strings of a O(2)-breaking scalar theory do intercommute for all physically relevant angles and velocities.

研究の動機と目的

• グローバル宇宙ひもの間の長距離相互作用が、それらの相互作用交差行動に与える影響を理解すること。
• 微視的シミュレーションと巨視的ネットワークダイナミクスの間の矛盾を解消するため、衝突パラメータのスケール依存的進化を分析すること。
• 特に初期宇宙におけるaxion生成に関連する物理的条件下で、グローバルひもが相互作用交差するかどうかを特定すること。
• axionicひもネットワークの数値的シミュレーションに信頼できる相互作用交差基準を提供すること。

提案手法

• O(2)対称性を持つ複素スカラー場を用いてグローバルひもをモデル化し、ナムブ・ゴトウのひも力学と格子場理論によるゴールドストーンモードを組み合わせたハイブリッドシミュレーション手法を採用する。
• グローバルひものエネルギー分布の対数的性質を用いて、スケールをまたいでひもの接近角および速度の進化を分析する。
• 相対論的スピードでのフォノン-反フォノン衝突を2+1次元数値シミュレーションで実施し、相互作用交差の結果を検討する。
• 衝突パラメータのスキャンと時間発展の解析を通じて、ひもが消失するか通過するかを評価し、相互作用交差を評価する。
• 期待される交差時刻の後、t = 100/m_h においてひもが存在しないことを基準として、相互作用交差を決定する。
• 2+1次元有効理論を用いて、長距離力下でのひもダイナミクス（運動量移動および放射エネルギー損失を含む）をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバルひも間の長距離相互作用は、スケールの階層をまたいで衝突角および相対速度をどのように再正則化するか？
• RQ2 グローバルひもの相互作用交差確率は、微視的スケールにおける相対速度および角度に依存するか？
• RQ3 高エネルギーでほぼ反平行なグローバルひもの衝突は、相互作用交差するか、それとも通過するか、どちらがより起こりやすいか？
• RQ4 宇宙論的ネットワークシミュレーションにおけるO(2)モデルのグローバルひもに対して、相互作用交差の結果を信頼性高く予測できるか？

主な発見

• グローバルひも間の長距離相互作用により、微視的スケールでの衝突パラメータが再正則化され、コアスケールで相対論的速さ（v ≈ 0.9）のほぼ反平行な接近が生じる。
• 相対速度が v = 0.8 未満の場合、衝突パラメータの広い範囲で相互作用交差が保証されることが、v = 0.80、0.95、0.975 でのシミュレーションで確認された。
• v = 0.975 における衝突パラメータ b が m_h b ∈ [20.5, 56] の範囲にある場合、ひもは消失して相互作用交差するため、広範な相互作用交差領域が存在することが示された。
• 相互作用交差の結果は、大角度の偏光および顕著な放射エネルギー損失によって駆動され、中程度の衝突パラメータに対しても、強く束縛され低速衝突が生じる。
• 極めて小さな衝突パラメータでは、エネルギー損失が不十分なためにひもが通過するが、これは支配的領域における相互作用交差を妨げない。
• 本研究は、先行研究（Shellard:1987bv）とは対照的に、O(2)モデルにおいて高エネルギーでほぼ反平行なグローバルひもの衝突が常に相互作用交差することを示した。