[論文レビュー] Theory of Magnetic Seed-Field Theory of Magnetic Seed-Field Generation during the Cosmological First-Order Electroweak Phase Transition

Trevor Stevens, Mikkel B. Johnson|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2010

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、初期宇宙における一次相転移における磁気的種々場生成の理論を展開し、電荷を帯びたWボソンの秩序あるダイナミクスとバブル衝突における界面効果に焦点を当てる。バブル表面の傾きが大きいほど、従来のモデルと比較して数倍の磁気的種々場が強化されることを示しており、これが大規模宇宙磁場の起源である可能性を支持する。

ABSTRACT

We present a theory of the generation of magnetic seed fields in bubble collisions during a first-order electroweak phase transition (EWPT) possible for some choices of parameters in the minimal supersymmetric Standard Model. The theory extends earlier work and is formulated to assess the importance of surface dynamics in such collisions. We are led to linearized equations of motion with O(3) symmetry appropriate for examining collisions in which the Higgs field is relatively unperturbed from its mean value in the collision volume. Coherent evolution of the charged $W$ fields within the bubbles is the main source of the electromagnetic current for generating the seed fields, with fermions also contributing through the conductivity terms. We present numerical simulations within this formulation to quantify the role of the surface of the colliding bubbles, particularly the thickness of the surface, and to show how conclusions drawn from earlier work are modified. The main sensitivity arises such that the steeper the bubble surface the more enhanced the seed fields become. Consequently, the magnetic seed fields may be several times larger and smoother over the collision volume than found in earlier studies. Our work thus provides additional support to the supposition that magnetic fields produced during the EWPT in the early universe seed the galactic and extra-galactic magnetic fields observed today.

研究の動機と目的

• 一次相転移におけるバブル表面ダイナミクスが磁気的種々場生成に果たす役割を調査すること。
• 初期条件とバブル衝突における表面の時間発展を組み込むことで、従来の理想化された境界条件を越えたモデルを拡張すること。
• 表面の厚さと傾きが生成された磁場の振幅およびコherently性に与える影響を定量化すること。
• 電弱相転移が銀河および銀河間磁場の源として現実的に可能かどうかを評価すること。
• MSSMにおける秩序あるWボソン場を介した電磁気的電流生成のより現実的なフレームワークを提供すること。

提案手法

• ゆっくりとしたバブル衝突における3+1次元のWボソン場の運動方程式をO(3)対称性のもとで線形化して導出する。
• 補助的条件と境界制約を用いて、衝突開始時におけるW場成分およびその時間微分に初期条件を課す。
• 相対論的かつO(1,2)対称性を持つ定式化を用い、MSSMに適応し、ヒッグス位相勾配の代わりに秩序あるWボソンダイナミクスを主電流源として採用する。
• 数値シミュレーションを用いて、表面の厚さとプロファイルが磁場生成に与える影響を評価する。
• スカラー場の時間発展から導かれる径方向および軸対称境界条件に基づき、W場成分の連立偏微分方程式を解く。
• 時間t₀における∂w/∂tと∂w_z/∂tの関係を表す式を用いて初期条件を統合し、空間依存性をrおよびz座標を用いて記述する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バブル表面のダイナミクス、特にその厚さと傾きが、生成された磁気的種々場の強度にどのように影響を与えるか。
• RQ2 衝突するバブル内での電荷を帯びたWボソンの秩序ある進化が、ヒッグス位相勾配と比較して電磁気的電流をどの程度増幅するか。
• RQ3 W場の初期条件およびその時間微分が、結果としての磁場構造と振幅にどのように影響を与えるか。
• RQ4 シミュレーションに表面ダイナミクスを組み込むことで、従来のO(1,2)対称モデルと比較して顕著に強く滑らかな種々場が得られるか。
• RQ5 表面プロファイルが生成された磁場のコherently性および空間的広がりに与える定量的影響は何か。

主な発見

• バブル表面がより急勾配であるほど、磁気的種々場が顕著に増幅され、従来の研究と比較して数倍の増幅要因が得られた。
• 秩序あるWボソンダイナミクスを介して生成された磁気的種々場は、以前の推定よりも滑らかで、衝突領域全体にわたって空間的によりコherentlyな性質を示した。
• 数値的シミュレーションにより、表面ダイナミクスが場の生成に顕著に影響することが確認され、一様または理想化された境界条件の仮定が無効であることが示された。
• 電荷を帯びたW場の秩序ある進化が、電磁気的電流の主な源であり、フェルミオンは導電率項を通じて寄与している。
• この理論は、MSSMにおける電弱相転移が、銀河および銀河間磁場を駆動するのに十分な大きさの種々場を生成可能であるという仮説を支持する。
• t₀における径方向および軸対称W場プロファイルから導かれる初期条件は、特にバブル界面付近で非自明な∂w/∂t分布を生じさせ、場の生成を駆動する。