[논문 리뷰] AXIAL ANOMALY IN 3HE-A: SIMULATION OF BARYOGENESIS AND GENERATION OF PRIMORDIAL MAGNETIC FIELDS IN MANCHESTER AND HELSINKI

G. E. Volovik|arXiv (Cornell University)|1998. 12. 01.

Quantum, superfluid, helium dynamics참고 문헌 59인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 초유체 3He-A가 고에너지 물리학 현상의 고체물질 유사체임을 제안하며, 비보존적인 전하 및 운동량을 유도하는 갭 없는 페르미온 진동자들을 통해 축이 비대칭 효과를 입증한다. 이 메커니즘은 반물질 생성 없이 물질 생성을 가능하게 하며, 초기 우주에서의 원시 자기장을 생성한다. 비틀림 운동 및 반대류 불안정성은 초기 우주에서의 중성미자 생성 및 초우주 자기장 생성을 모방한다.

ABSTRACT

Abstract The gapless fermionic excitations in superfluid 3He-A have a “relativistic” spectrum close to the gap nodes. They are the counterpart of chiral particles (left-handed and right-handed) in high-energy physics above the electroweak transition. We discuss the effective gravity and effective gauge fields induced by these massless fermions in the low-energy corner. The interaction of the chiral fermions with the gauge field in 3He-A is discussed in detail. It gives rise to the effect of axial anomaly: conversion of charge from the coherent motion of the condensate (vacuum) to the quasiparticles (matter). The charge of the quasiparticles is thus not conserved. In other words, matter can be created without creating antimatter. This effect is instrumental for vortex dynamics, in which the vortex is the mediator of conversion of linear momentum from the condensate to the normal component via spectral flow in the vortex core. The same effect leads to the instability of the counterflow in 3He-A, in which the flow of the normal component (incoherent degrees of freedom) is transformed to the order parameter texture (coherent degrees of freedom). We discuss the analogues of these phenomena in high-energy physics. The conversion of the momentum from the vortex to the heat bath is equivalent to the nonconservation of baryon number in the presence of textures and cosmic strings. The counterflow instability is equivalent to the generation of the hypermagnetic field via the axial anomaly. We discuss also an analogue of axions and different sources of the mass of the `hyperphoton' in 3He-A.

연구 동기 및 목표

• 초유체 3He-A를 고에너지 물리학에서의 축이 비대칭 효과를 연구하는 실험실 유사체로 확립하기 위해.
• 3He-A 내의 편미러 페르미온이 중성미자 수의 위반과 유사하게 전하 및 운동량의 비보존을 어떻게 유도하는지 조사하기 위해.
• 비틀림 운동의 역학과 응축물 운동량이 준위입자 진동자로의 전환과의 연결 고리를 탐색하기 위해.
• 반대류 불안정성을 축이 비대칭을 통한 초우주 자기장 생성의 유사체로 모델링하기 위해.
• 3He-A 시스템 내에서의 축이 보조입자 및 초우주 광자 질량의 유사체를 식별하기 위해.

제안 방법

• 상대론적 분산을 가진 갭 노드 근처의 갭 없는 페르미온 모드에 초점을 맞춘 3He-A의 저에너지 효과 이론 분석.
• 초유체 상태에서 편미러 페르미온이 유도하는 효과적 중력 및 게이지 장 유도.
• 효과적 전하 전환을 기술하기 위해 축이 비대칭 형식을 적용하여 응축물(진공)에서 준위입자(물질)로의 전하 변환 기술.
• 비틀림 핵의 역학을 효과적 스펙트럼 유동 메커니즘으로 모델링하여 응축물에서 정규 성분으로의 운동량 전달을 분석.
• 비균일한 유동이 응축된 질서 파라미터 텍스처로 전환되는 과정으로서 반대류 불안정성 연구.
• 3He-A 해밀토니안 내에서 나타나는 잠재적 게이지 장 및 축이 유사 모드 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 3He-A에서의 축이 비대칭은 어떻게 준위입자 전하의 비보존을 유도하는가?
• RQ2 비틀림이 효과적 스펙트럼 유동을 통해 응축물에서 준위입자로의 운동량 전달을 어떻게 매개하는가?
• RQ3 3He-A에서의 반대류 불안정성은 초기 우주에서의 초우주 자기장 생성을 어떻게 시뮬레이션하는가?
• RQ4 3He-A 시스템 내에서의 축이 보조입자 및 초우주 광자 질량의 유사체는 무엇인가?
• RQ5 3He-A에서 편미러 페르미온 진동자로부터 효과적 중력 및 게이지 장은 어떻게 유도되는가?

주요 결과

• 3He-A에서의 축이 비대칭은 준위입자 전하의 비보존을 유도하여 반물질 생성 없이 물질 생성을 가능하게 한다.
• 비틀림 핵의 역학은 응축물 운동량을 열 해프의 진동자로 전환시키며, 이는 우주 끈에서 중성미자 수 위반과 유사하다.
• 3He-A에서의 반대류 불안정성은 효과적 게이지 장 생성을 유도하며, 이는 축이 비대칭을 통한 초우주 자기장 생성을 모방한다.
• 이 시스템은 효과적 게이지 장과 잠재적 축이 유사 모드를 나타내며, 초우주 광자 질량 생성 메커니즘의 가능성이 있다.
• 3He-A의 효과적 장 이론은 고에너지 물리학의 핵심 특징을 재현하며, 토폴로지 결함에서의 편미러 비대칭 및 스펙트럼 유동을 포함한다.
• 3He-A의 저에너지 역학은 천체물리학에서의 중성미자 생성 및 원시 자기장 연구를 위한 제어 가능한 유사체를 제공한다.