[論文レビュー] On the Role of Quasiparticles and thermal Masses in Nonequilibrium Processes in a Plasma

Marco Drewes|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2010

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 60被引用数 29

ひとこと要約

この論文は、プラズマにおける高次量子過程と有効クーパー粒子記述の矛盾を解消する非平衡量子場理論フレームワークを構築する。非摂動的中間状態からのオフシェル状態の寄与——リゾナント幅を介して解明可能——が運動論理論に一貫して組み込まれることを示し、特にスカラーおよびフェルミオン系において、中程度の熱的幅に対しても緩和率が顕著に増大することを明らかにする。

ABSTRACT

Boltzmann equations and their matrix valued generalisations are commonly used to describe nonequilibrium phenomena in cosmology. On the other hand, it is known that in gauge theories at high temperature processes involving many quanta, which naively are of higher order in the coupling, contribute to the relaxation rate at leading order. How does this accord with the use of single particle distribution functions in the kinetic equations? When can these effects be parametrised in an effective description in terms of quasiparticles? And what is the kinematic role of their thermal masses? We address these questions in the framework of nonequilibrium quantum field theory and develop an intuitive picture in which contributions from higher order processes are parametrised by the widths of resonances in the plasma. In the narrow width limit we recover the quasiparticle picture, with the additional processes giving rise to off-shell parts of quasiparticle propagators that appear to violate energy conservation. In this regime we give analytic expressions for the scalar and fermion nonequilibrium propagators in a medium. We compare the efficiency of decays and scatterings involving real quasiparticles, computed from analytic expressions for the relaxation rates via trilinear scalar and Yukawa interactions for all modes, to off-shell contributions and find that the latter can be significant even for moderate widths. Our results apply to various processes including thermal production of particles from a plasma, dissipation of fields in a medium and particle propagation in dense matter. We discuss cosmological implications, in particular for the maximal temperature achieved during reheating by perturbative inflaton decay.

研究の動機と目的

• 高温ゲージ理論における多粒子過程の一次項寄与と、単一粒子分布関数を用いた運動論方程式との間にある明らかな矛盾を解消すること。
• 非平衡量子場理論における有効クーパー粒子記述において、熱的質量および幅が果たす物理的役割を明確化すること。
• クーパー粒子近似が有効である条件と、オフシェル効果が顕著になる条件を確立すること。
• スカラーおよびフェルミオンのプロパゲーターに対する解析的表現を、オフシェル寄与を含めて提供すること。
• 形式的枠組みを宇宙論的再加熱に適用し、特にインフレートン崩壊生成物の熱化および達成される最大温度を明らかにすること。

提案手法

• 単一粒子位相空間分布関数の代わりに、相関関数を動的変数とする非平衡量子場理論を用いる。
• 正確なスペクトル関数と自己エネルギーの再結合を用いて、三重スカラー、ヤクバイ、四重相互作用による緩和を分析する。
• 熱的バスターバルに存在するスカラーおよびフェルミオンの非平衡プロパゲーターに対する解析的表現を導出する。オフシェル寄与を含む。
• 狭い幅極限を適用して、熱的幅が複素極によってエネルギー保存則を修正するクーパー粒子像を回復する。
• スペクトル密度の解析的表現を用いて緩和率を計算し、オンシェルとオフシェル寄与を比較する。
• 結果を宇宙論的モデルに統合し、特にインフレーション後の再加熱を扱う。有効熱的質量と自己エネルギーを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限温度におけるゲージ理論の高次過程が、直観的には抑制されているにもかかわらず、どのように一次項の緩和率に寄与するのか。
• RQ2 多粒子中間状態が、熱的質量および幅を持つクーパー粒子によってどのように有効に記述可能か。
• RQ3 熱的質量がプラズマ内での緩和およびエネルギー移動を媒介するにあたり、運動論的および力学的役割を果たすのはどのようなものか。
• RQ4 緩和率において、仮想粒子からのオフシェル寄与がオンシェル過程をどれほど上回るのか。
• RQ5 これらの効果がインフレーション宇宙論における再加熱期に達成される最大温度にどのように影響を与えるか。

主な発見

• 仮想中間状態に起因するオフシェル寄与は、中程度の熱的幅に対しても、オンシェル過程と同等に重要であることが示された。
• スペクトル密度の解析的構造から、高次過程がクーパー粒子プロパゲーターの複素極に埋め込まれており、幅がこれらの寄与の強度をパラメータ化していることが明らかになった。
• 狭い幅極限において、形式的枠組みは標準的なクーパー粒子像を回復するが、複素自己エネルギーのおかげでエネルギー保存則が修正される。
• スカラー場では、三重相互作用による緩和率にオフシェル寄与が含まれており、これは無視できない大きさであり、熱的幅および動量移行に依存する。
• ヤクバイ結合によるフェルミオンの緩和は、オフシェル過程からの類似の増幅を示し、スペクトル密度および自己エネルギーの解析的表現が導出された。
• 宇宙論的再加熱において、オフシェル効果を組み込むと、有効な緩和率が上昇し、インフレートン崩壊期に達する最大温度が上昇する可能性がある。