[論文レビュー] Schwinger effect, backreaction and magnetogenesis in de Sitter spacetime

Clément Stahl, She-Sheng Xue|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、de Sitter時空におけるシュヴィンガー対生成を調査し、フェルミオン対がアインシュタイン-マクスウェル方程式を通じて電磁場にどのように逆作用するかを分析している。フェルミオン対は電場を抑制するか、変化させないことが判明し、磁場生成を防ぐ。しかし、軽いボソンに対しては増幅の可能性が示唆されており、原始的磁場生成の新たな道筋を示唆している。

ABSTRACT

We consider the particle-antiparticle pairs produced by both a strong electric field and de Sitter curvature. We investigate in 1+1 D the backreaction of the pairs on the electromagnetic field. To do so we describe the canonical quantization of an electromagnetic field in de Sitter space and add in the Einstein-Maxwell equation the fermionic current induced by the pairs. After solving this equation, we find that the electric field gets either damped or unaffected depending on the value of the pair mass and the gauge coupling. No enhancement of the electromagnetic field to support a magnetogenesis scenario is found. The physical picture is that the Schwinger pairs locally created screen the production and amplification of the electromagnetic field. However, if one considers light bosons created by the Schwinger mechanism, we report a solution to the Einstein-Maxwell equation with an enhancement of the electromagnetic field. This solution could be a new path to primordial magnetogenesis.

研究の動機と目的

• 1+1次元におけるシュヴィンガー対生成とde Sitter曲率の相互作用を研究すること。
• 曲がった時空における生成されたフェルミオン対の電磁場への逆作用を分析すること。
• 逆作用が磁場生成に適した電磁場の増幅を引き起こすかどうかを特定すること。
• フェルミオンではなく、軽いボソンが原始的磁場生成の実現可能なメカニズムを提供できるかどうかを調査すること。

提案手法

• de Sitter時空における電磁場の正準量子化を実行する。
• 強い電場の存在下でシュヴィンガー対によって誘導されるフェルミオン電流を計算する。
• 誘導電流をアインシュタイン-マクスウェル方程式に組み込み、逆作用効果をモデル化する。
• 1+1次元において、修正されたアインシュタイン-マクスウェル方程式を数値的または解析的に解く。
• 異なるフェルミオン質量およびゲージ結合定数に対する電場の時間発展を比較する。
• 場の増幅の可能性を評価するために、分析を軽いボソンに拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シュヴィンガーによって生成されたフェルミオン対の逆作用は、de Sitter時空における電磁場を増幅するか？
• RQ2 フェルミオン対の質量は、電場への逆作用にどのように影響するか？
• RQ3 誘導されたフェルミオン電流は、持続的または増幅された電磁場を生じさせ、磁場生成のシナリオを支持できるか？
• RQ4 ゲージ結合定数は、逆作用の強さと符号を決定づける役割を果たすか？
• RQ5 シュヴィンガー機構によって生成された軽いボソンは、異なる逆作用行動を示し、電磁場の成長を可能にするか？

主な発見

• フェルミオン対の逆作用は、対の質量およびゲージ結合定数に応じて、電場を抑制するか、変化させない。
• フェルミオンに対しては電磁場の増幅は観測されず、磁場生成のメカニズムとして排除される。
• 対生成に伴う局所的スクリーニング効果が、場の増幅を防ぎ、電場の成長を制限する。
• 軽いボソンに対しては、アインシュタイン-マクスウェル方程式の解として電磁場の増幅を示すものが得られた。
• この増幅は、ボソン的シュヴィンガー対による原始的磁場生成の新たな道筋を示唆している。
• 結果は、de Sitter時空におけるフェルミオンとボソンの間で、逆作用行動に根本的な違いがあることを示している。