[論文レビュー] Non-Equilibrium Dynamics of Phase Transitions: From the Early Universe to Chiral Condensates

D. Boyanovsky, H. J. de Vega+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 1994

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、宇宙論および素粒子物理学における相転移を研究するため、非平衡量子場理論の技術を開発している。特に、初期宇宙における対称性の破れのダイナミクスと手術的凝集体の形成に焦点を当てている。著者は、不安定性および相関するドメイン形成が、インフレーションの標準的「スローロール」像を破壊することを示し、インフレーション場の有効方程式を導出し、量子および熱的ゆらぎが、ずれが生じた手術的凝集体の生成に顕著に影響することを明らかにしている。これは加速器実験において関連する可能性がある。

ABSTRACT

In this brief review we introduce the methods of quantum field theory out of equilibrium and study the non-equilibrium aspects of phase transitions. Specifically we critically study the picture of the ``slow-roll'' phase transition in the new inflationary models, we show that the instabilities that are the hallmark of the phase transition, that is the formation of correlated domains, dramatically change this picture. We analyze in detail the dynamics of phase separation in strongly supercooled phase transitions in Minkowski space. We argue that this is typically the situation in weakly coupled scalar theories. The effective evolution equations for the expectation value and the fluctuations of an inflaton field in a FRW cosmology are derived both in the loop expansion and in a self-consistent non-perturbative scheme. Finally we use these non-equilibrium techniques and concepts to study the influence of quantum and thermal fluctuations on the dynamics of a proposed mechanism for the formation of disoriented chiral condensates during a rapid phase transition out of equilibrium. This last topic may prove to be experimentally relevant at present accelerator energies. To appear in the Proceedings of the `2nd. Journée Cosmologie', Observatoire de Paris, 2-4, June 1994. H J de Vega and N. Sánchez, Editors, World Scientific.

研究の動機と目的

• 量子場理論における非平衡ダイナミクス、特に宇宙論的および高エネルギー系における相転移の理解を図ること。
• 対称性の破れの過程における不安定性およびドメイン形成を分析することで、新しいインフレーションモデルの従来の「スローロール」像に疑問を呈すること。
• 摂動的および非摂動的両手法を用いて、FRW時空におけるインフレーション場の有効ダイナミカル方程式を導出すること。
• 急激で非平衡的な相転移の過程における、ずれが生じた手術的凝集体形成における量子および熱的ゆらぎの役割を調査すること。
• これらのダイナミクスが、現在の加速器エネルギー領域で実験的に観測可能な兆候をもたらす可能性を評価すること。

提案手法

• 非平衡量子場理論の技術を用いて、熱的平衡から大きく離れた時間発展系を記述する。
• ループ展開および自己無撞着な非摂動的スキームを適用し、フレドマン＝ロバートソン＝ウォーカー（FRW）宇宙論におけるインフレーション場の期待値およびゆらぎの有効方程式を導出する。
• ミンコフスキー空間における強く過冷却された相転移を、弱く結合したスカラー理論のモデルとして分析する。
• 相転移中の動的不安定性に起因する相関するドメインの形成を分析し、これによりスローロールのシナリオが破壊されることを示す。
• これらの手法を用いて、急激で非平衡的なクエンチングによるずれが生じた手術的凝集体（DCC）形成のダイナミクスを研究する。
• 量子および熱的ゆらぎが、手術的凝集体の秩序パラメータの時間発展に与える影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的不安定性および相関するドメイン形成は、新しいインフレーションモデルにおける相転移の標準的「スローロール」像をどのように変化させるか？
• RQ2 摂動的および非摂動的両手法で導出された、FRW時空におけるインフレーション場の有効進化方程式は何か？
• RQ3 量子および熱的ゆらぎは、急激で非平衡的な相転移の過程における手術的凝集体形成のダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ4 ミンコフスキー空間における相分離の非平衡ダイナミクスは、弱く結合したスカラー理論の実際のモデルとしてどれほど妥当か？
• RQ5 本稿で説明されたメカニズムは、現在の加速器エネルギー領域で、ずれが生じた手術的凝集体の実験的兆候を生じさせる可能性があるか？

主な発見

• 新しいインフレーションモデルの標準的「スローロール」像は、相転移過程における動的不安定性および相関するドメイン形成によって顕著に破壊される。
• FRW宇宙論において、ループ展開および非摂動的自己無撞着スキームの両方で、インフレーション場の期待値およびゆらぎの有効方程式が導出された。
• ミンコフスキー空間における強く過冷却された相転移は、パラメトリック共鳴および不安定性帯に起因し、長波長の相関およびドメイン構造が発生する。
• 量子および熱的ゆらぎは、ずれが生じた手術的凝集体形成のダイナミクスにおいて重要な役割を果たし、秩序パラメータの時間発展および空間的構造に影響を与える。
• 手術的凝集体形成の非平衡ダイナミクスは、高エネルギー加速器実験において観測可能な兆候を生じる可能性があり、実験的関連性が示唆される。