[論文レビュー] Magnetic field production after inflation

Andrés Díaz-Gil, J. García-Bellido+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2005

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、低スケールハイブリッドインフレーションに続くプリヒーティング期における電磁場生成を、古典的格子シミュレーションを用いて調査する。初期に運動的乱流が発生することが判明（mt > 50）、自己相似的エネルギースペクトルとヒッグス場・インフレートン場分散のべき則的減衰が特徴的であり、非平衡ダイナミクスの急速な始動が、大スケール磁場の種の生成に寄与する可能性がある。

ABSTRACT

We study the electromagnetic field production during preheating after hybrid inflation in a model with the field content of the Standard Model, coupled to a singlet inflaton. We find that very soon after symmetry breaking our system enters a regime of kinetic turbulence, characterized by a self-similar behaviour of the energy spectra and a power-like dependence on time of the inflaton and Higgs field variances.

研究の動機と目的

• インフレーションに続くプリヒーティング期における電磁場生成を通じて、宇宙論的磁場種の起源を解明すること。
• 強い非平衡ダイナミクスが特徴のプリヒーティング期が、大スケールにわたるコherentlyな原始磁場を生成できるかどうかを調査すること。
• インフレーションから放射優勢時代への移行期における非摂動的場のダイナミクスをシミュレートする際の古典的近似の妥当性と適用可能性を評価すること。
• エネルギースペクトルおよび場分散の時間発展に現れる運動的乱流の兆候を同定し、熱化経路と場相関の成長を示唆するものとする。

提案手法

• 対称性の破れ後にチラール不安定性を引き起こすポテンシャルを持つ、標準模型ヒッグス場とシングレットインフレートン場が結合したハイブリッドインフレーションモデルを採用する。
• スカラーモードが古典的になる段階以降、正確な量子ダイナミクスを置き換えるために古典的近似を適用し、系の非線形的時間発展をシミュレートする。
• 空間的および時間的離散化を用いた格子場理論技術を用い、有限体積効果とカットオフ効果を制御するため、複数の格子間隔（ma = 0.655, 0.87, 1.31）と複数の格子サイズ（NS = 32, 48, 64）を用いる。
• フォーリエ空間でエネルギースペクトル、場分散、電場および磁場成分（電気的および磁気的）を分析し、縦成分と横成分に分離する。
• 空間平均からのノイズを低減するため、|ϕ| < 0.08 の領域を除外するフィルタリング技術を導入し、遅い時間におけるデータの信号対ノイズ比を向上させる。
• スケーリングアンザッツ n(k,t) = t^(-q) n₀(kt^(-p)) を用いてエネルギースペクトルの自己相似性をテストし、パラメータフィッティングにより運動的乱流領域を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低スケールハイブリッドインフレーションに続くプリヒーティング期に、電磁場が効率的に生成されるか？
• RQ2 対称性の破れ直後に系は運動的乱流を示すか？ その発生はどの時間スケールで起こるか？
• RQ3 SU(2)電場のエネルギースペクトルに自己相似的スケーリングが現れ、普遍的な非平衡ダイナミクスを示すか？
• RQ4 U(1)電磁場の縦成分および横成分の時間発展はどのように変化するか？ また、プラズマの電荷スクリーニングとはどのように関係するか？
• RQ5 運動的乱流の早期発生が、宇宙論的スケールにまで場相関を信頼性高く外挿する可能性を秘めているか？

主な発見

• 運動的乱流は mt > 50 で発生し、以前のモデル（mt > 3000）と比較して顕著に早い。これは系の自由度の数が大きいことに起因する。
• ヒッグス場分散は t^(-ν) として減衰し、ν = 2/(2m - 1) に一致する。m = 4（四点相互作用）に対応し、インフレートン分散は m = 3 に一致する。
• SU(2)電場エネルギースペクトルは自己相似的スケーリング n(k,t) = t^(-q) n₀(kt^(-p)) を示し、p ≈ 1.1/7 であり、m = 4 の理論的予測とよく一致する。
• 縦電場成分は時間とともに減少し、プラズマ内での電荷スクリーニングと整合的であるが、横成分が支配的である。
• 全U(1)_{em}磁場エネルギーは時間とともに増加し、放射成分と原始磁場種の両方からの寄与があるが、後者はまだ完全に分離されていない。
• ヒッグスノルムのスパイク（|ϕ| ≈ 0）が空間平均にノイズを引き起こすが、|ϕ_c| = 0.08 でフィルタリングを施すことでノイズを低減でき、結果にバイアスを生じさせない。これはスファラネロンに類似した構造と関連する可能性がある。