[논문 리뷰] Inflationary Magnetogenesis and Anomaly Cancellation in Electrodynamics

Sumanta Chakraborty, Supratik Pal외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 05.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 72인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초기 우주에서의 원시 자기장이 양자 전기역학에서의 비대칭 보존에 기인하며, 등각 대칭성을 깨뜨려 스케일에 따라 변하는 자기장 스펙트럼을 생성함으로써 비자명한 스펙트럼 지수를 갖는다. 이 모델은 인플레이션 기간 동안 강력한 간성간 자기장을 생성할 수 있는 광범위한 매개변수 공간을 예측한다.

ABSTRACT

Primordial magnetic field generated in the inflationary era can act as a viable source for present day intergalactic magnetic field of significant strength. We present a fundamental origin for such primordial generation of magnetic field, namely through anomaly cancellation of $U(1)$ gauge field in quantum electrodynamics. Addition of this term explicitly breaks conformal invariance of the theory necessary to generate magnetic field of sufficient strength. We have analysed at length the power spectrum of the magnetic field thus generated. We have also found that magnetic power spectrum has significant scale-dependance giving rise to a non-trivial magnetic spectral index, a key feature of this model. Interestingly, there exists a large parameter space where magnetic field of significant strength can be produced.

연구 동기 및 목표

• 현재의 간성간 자기장들을 씨앗으로 삼을 수 있는 원시 자기장의 기본 양자 기원을 규명하는 것.
• U(1) 게이지 이론에서의 비대칭 보존이 등각 대칭성을 어떻게 깨뜨리며, 이를 통해 인플레이션 기간 동안 자기장을 생성할 수 있는지 조사하는 것.
• 생성된 자기장의 전력 스펙트럼과 그 스케일 의존성 분석하는 것.
• 우주론적으로 의미 있는 강도의 자기장을 생성할 수 있는 매개변수 공간을 규명하는 것.

제안 방법

• U(1) 게이지 장 작용에서 등각 대칭성을 깨뜨리는 원천으로서 양자 전기역학의 편향 비대칭 항을 포함한다.
• 편향 기인 항을 포함한 편향 Fermion과 결합된 U(1) 게이지 장의 효과적 작용을 유도한다.
• 인플레이션 기간 동안 de Sitter 시공간에서 선형 반응 이론을 사용하여 자기장 전력 스펙트럼을 계산한다.
• 스펙트럼 지수를 분석하여 자기장 전력 스펙트럼의 스케일 의존성을 결정한다.
• 다양한 매개변수 영역에서 생성된 자기장의 진폭을 평가하여 우주론적으로 타당한 시나리오를 규명한다.
• 표준 인플레이션 장 이론 기법을 적용하여 상관 함수를 계산하고 관측 가능한 자기장 강도를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QED 내 비대칭 보존이 인플레이션 기간 동안 원시 자기장을 생성하는 기본 메커니즘을 제공할 수 있는가?
• RQ2 편향 항의 포함이 등각 대칭성을 어떻게 깨뜨리며, 자기장 생성을 가능하게 하는가?
• RQ3 자기장 전력 스펙트럼의 기능적 형태는 무엇이며, 상당한 스케일 의존성이 존재하는가?
• RQ4 자기장 전력 스펙트럼의 스펙트럼 지수는 무엇이며, 이는 생성된 필드의 일관성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 어떤 매개변수 범위에서 모델이 현재의 간성간 자기장 관측을 설명할 수 있을 정도로 강도가 충분한 자기장을 생성할 수 있는가?

주요 결과

• QED 내 비대칭 보존 항은 인플레이션 기간 동안 원시 자기장을 생성하는 기본 메커니즘을 제공한다.
• 편향 항에 의한 등각 대칭성의 명시적 깨짐은 충분한 강도의 자기장을 생성하는 데 필수적이다.
• 자기장 전력 스펙트럼은 상당한 스케일 의존성을 보이며, 이는 비자명한 스펙트럼 지수를 의미한다.
• 모델은 자기장 강도가 우주론적으로 의미 있는 수준으로 생성될 수 있는 광범위한 매개변수 공간을 예측한다.
• 스케일에 따라 변하는 전력 스펙트럼은 자기장 강도가 다양한 우주론적 스케일에서 다르게 변할 수 있음을 시사하며, 이는 핵심 관측 가능 특성이다.
• 결과는 비대칭에 의해 유도되는 자기장 생성 메커니즘이 다른 인플레이션 메커니즘에 비해 원시 필드 생성의 타당한 대안임을 시사한다.