[논문 리뷰] Influence of the hypermagnetic field noise on the baryon asymmetry generation in the symmetric phase of the early universe

Maxim Dvornikov, V. B. Semikoz|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 03.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 21인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전기약한 전이 이전 초기 우주의 대칭 단계에서 랜덤한 초자기장(HMF)에 의해 유도된 난류가 바리온 및 렙톤 비대칭을 어떻게 억제하는지 조사한다. 표준모형의 첫 번째 쿼크 세대를 단순화된 모델로 사용하여, HMF에 의해 유도된 유체 난류—로렌츠력 지배의 나비에-스토크스 역학에 의해 제어되는 것—가 에너지 및 헬리시티 스펙트럼을 강화함으로써, 바리온 비대칭을 포함한 페르미온 비대칭이 크게 감소함을 보여준다. 특히 강한 初기 HMF에서 더욱 두드러진다.

ABSTRACT

We study a matter turbulence caused by strong random hypermagnetic fields (HMFs ) that influence the baryon asymmetry evolution due to the Abelian anomalies in the symmetric phase in the early Universe. Such a matter turbulence is stipulated by the presence of the advection term in the induction equation for which a fluid velocity is dominated by the Lorentz force in the Navier-Stokes equation. For random HMFs, having nonzero mean squared strengths, we calculate the spectra for the HMF energy and the HMF helicity densities. The latter function governs the evolution of the fermion asymmetries in the symmetric phase before the electroweak phase transition (EWPT). In the simplest model based on the first SM generation for the lepton asymmetries of $e_\mathrm{R,L}$ and $ u_{e_\mathrm{L}}$, we calculate a decline of all fermion asymmetries including the baryon asymmetry, given by the `t Hooft conservation law, when one accounts for a turbulence of HMFs during the universe cooling down to EWPT. We obtain that the stronger the mean squared strength of random initial HMFs is, the deeper the fermion asymmetries decrease, compared to the case in the absence of any turbulence.

연구 동기 및 목표

• 강력한 랜덤 초자기장(HMF)에 의해 유도된 물질 난류가 초기 우주의 바리온 및 렙톤 비대칭 진화에 미치는 영향을 조사하는 것.
• HMF에서 기인한 로렌츠력에 의해 구동되는 난류 유체 운동이 HMF 에너지 및 헬리시티 스펙트럼의 진화에 어떻게 영향을 주는지 검토하는 것.
• 랜덤 HMF 존재 하에 난류 확산이 페르미온 비대칭—특히 바리온 비대칭—의 억제에 어떻게 기여하는지 평가하는 것.
• 전자약한 전이 이전의 't Hooft 이상 보존 진화를 수정하는 HMF 헬리시티와 난류의 역할을 정량화하는 것.
• 다양한 初기 HMF 강도와 헬리시티 파라미터를 고려하여, 난류 노이즈 유무에 따른 비대칭 진화를 비교하는 것.

제안 방법

• 상대론적 플라즈마에서 p=ρ/3 이며, 항력 시간 τd가 있는 로렌츠력 지배 나비에-스토크스 해를 통해 유속을 모델링: v = τd(∇×BY)×BY/(p+ρ).
• 유속 모델을 사용하여 HMF에 대해 명시적으로 표현된 난류 항 ∇×(v×BY)를 포함한 유도(파라데이) 방정식 유도.
• 평균이 0이지만 평균 제곱 강도가 비영인 랜덤 HMF 하에서 HMF 에너지 밀도(EBY) 및 헬리시티 밀도(HBY) 스펙트럼 계산.
• HMF의 효과적 전도도(ηeff) 및 카이랄 이상 계수(αY)에 난류 기여를 포함하여, 페르미온 비대칭 진화를 지배하는 요소로 활용.
• 소음 유도 항 B⁴Y에 비례하는 항을 포함한 오른쪽 전자(eR), 왼쪽 전자(eL), 왼쪽 중성미자(νeL) 비대칭에 대한 운동 방정식 해법.
• 다양한 초기 HMF 강도(B(0)Y = 7×10²⁵ G 및 7×10²⁶ G)와 헬리시티 파라미터(q=1: 완전 헬리컬, q=0.1: 덜 헬리컬)를 고려한 수치 시뮬레이션 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 우주의 대칭 단계에서 HMF에 의해 유도된 난류는 HMF 에너지 및 헬리시티 스펙트럼의 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 랜덤 HMF에서 기인한 로렌츠력에 의해 구동되는 난류 확산은 바리온 비대칭을 포함한 페르미온 비대칭을 어느 정도 억제하는가?
• RQ3 초기 HMF 강도와 헬리시티 파라미터(q)는 난류에 의한 비대칭 소거 정도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 난류가 없는 조건에서 소음 항 ∼B⁴Y는 효과적 전도도 및 카이랄 이상 계수에 어떤 정량적 영향을 미치는가?
• RQ5 난류 조건 하에서 완전 헬리컬(q=1)과 부분 헬리컬(q=0.1) HMF 구성 간 결과는 어떻게 다를까?

주요 결과

• 강력한 랜덤 HMF에 의해 로렌츠력에 의해 유도된 난류 유체 운동은 효과적 소산을 크게 향상시키고, HMF 에너지 및 헬리시티 스펙트럼의 진화를 변화시킨다.
• 물질 난류 존재 시, 특히 강한 초기 HMF에서 노이즈 없는 경우에 비해 페르미온 비대칭, 바리온 비대칭까지도 상당히 억제된다.
• 초기 HMF 강도가 B(0)Y = 7×10²⁶ G (≈B(0)Y = 1.4×10⁻¹)일 경우, 바리온 비대칭은 노이즈 없는 영역 대비 최대 10배까지 감소하며, 특히 완전 헬리컬 경우(q=1)에서 두드러진다.
• 더 높은 초기 HMF 에너지 및 헬리시티일수록 억제 효과가 더 두드러지며, 이는 소음 유도 항 ∼B⁴Y가 효과적 계수 α± 및 ηeff의 진화를 지배한다.
• 수치 결과에 따르면, 짧은 진화 시간(TRL−T < 10 GeV) 동안 완전 헬리컬 HMF 경우(q=1)에서 비대칭 억제가 가장 심각하며, 난류 조건에서는 BAU가 약 10⁻¹⁴로 감소하는 반면, 노이즈 없는 경우는 약 10⁻¹² 수준이다.
• 모델은 강력한 HMF에서 유도된 난류가 주요 비대칭 소거 메커니즘일 수 있음을 시사하며, 초기 비대칭이 충분히 크지 않다면 HMF 기반 바리온 생성 이론의 타당성을 제한할 수 있다.