[논문 리뷰] On the Role of Quasiparticles and thermal Masses in Nonequilibrium Processes in a Plasma

Marco Drewes|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 24.

High-Energy Particle Collisions Research참고 문헌 60인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 플라즈마에서 고차수 양자 과정과 효과적 준입자 기술 간의 모순을 해결하기 위해 비평형 양자장론 프레임워크를 개발한다. 비평형 QFT에 의하면, 공명 너비를 통해 해석 가능한 다입자 중간 상태의 이완 상태에서 비가속도 기여가 운동론 이론에 일관되게 통합될 수 있으며, 이러한 효과는 특히 스칼라 및 페르미온 체계에서 중간 정도의 열 너비 조건에서도 이완 속도를 크게 증가시킴을 보여준다.

ABSTRACT

Boltzmann equations and their matrix valued generalisations are commonly used to describe nonequilibrium phenomena in cosmology. On the other hand, it is known that in gauge theories at high temperature processes involving many quanta, which naively are of higher order in the coupling, contribute to the relaxation rate at leading order. How does this accord with the use of single particle distribution functions in the kinetic equations? When can these effects be parametrised in an effective description in terms of quasiparticles? And what is the kinematic role of their thermal masses? We address these questions in the framework of nonequilibrium quantum field theory and develop an intuitive picture in which contributions from higher order processes are parametrised by the widths of resonances in the plasma. In the narrow width limit we recover the quasiparticle picture, with the additional processes giving rise to off-shell parts of quasiparticle propagators that appear to violate energy conservation. In this regime we give analytic expressions for the scalar and fermion nonequilibrium propagators in a medium. We compare the efficiency of decays and scatterings involving real quasiparticles, computed from analytic expressions for the relaxation rates via trilinear scalar and Yukawa interactions for all modes, to off-shell contributions and find that the latter can be significant even for moderate widths. Our results apply to various processes including thermal production of particles from a plasma, dissipation of fields in a medium and particle propagation in dense matter. We discuss cosmological implications, in particular for the maximal temperature achieved during reheating by perturbative inflaton decay.

연구 동기 및 목표

• 고온의 게이지 이론에서 다입자 과정의 주요 기여와 단일 입자 분포 함수를 사용하는 운동론 방정식 사이의 명백한 모순을 해결하기 위해.
• 비평형 양자장론 내에서 효과적 준입자 기술에 있어서 열 질량과 너비의 물리적 역할을 명확히 하기 위해.
• 준입자 근사가 유지되는 조건과 비가속도 효과가 중요한 시점이 되는 조건을 설정하기 위해.
• 스칼라 및 페르미온 장의 매질 내에서 비가속도 기여를 포함한 해석적 표현을 제공하기 위해.
• 이론적 기반을 우주론적 재가열에 적용하여, 인플라톤 붕괴 생성물의 열화 및 도달 가능한 최대 온도를 다루기 위해.

제안 방법

• 단일 입자 위상공간 분포가 아닌 상관 함수를 동적 변수로 사용하는 비평형 양자장론을 사용한다.
• 정확한 스펙트럴 함수와 자기에너지 재합성 기법을 사용하여 삼중 스칼라, 요다 및 4중 상호작용을 통한 이완을 분석한다.
• 열역학적 분위기에서 스칼라 및 페르미온의 비평형 프로파게이터에 대한 해석적 표현을 유도하며, 비가속도 기여를 포함한다.
• 좁은 너비 근사를 적용하여 준입자 그림을 복원하며, 복소 극을 통한 복소 자기에너지에 의한 에너지 보존의 수정을 반영한다.
• 스펙트럴 밀도의 해석적 형태를 사용하여 이완 속도를 계산하고, 비가속도 기여와 가속도 기여를 비교한다.
• 결과를 우주론 모델에 통합하여, 특히 인플레이션 이후 재가열을 다루며 효과적 열 질량과 자기에너지 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한 온도에서의 게이지 이론에서 고차수 과정이 주로 억제된다고 여겨지지만, 어떻게 이들이 주요 기여를 통해 이완 속도에 영향을 미칠 수 있는가?
• RQ2 다입자 중간 상태가 열 질량과 너비를 갖는 준입자로 효과적으로 기술될 수 있는 범위는 어디인가?
• RQ3 열 질량이 플라즈마 내에서 이완과 에너지 전달을 매개하는 데 어떤 운동론적 및 역학적 역할을 하는가?
• RQ4 이완 속도에서 가상 입자의 비가속도 기여가 가속도 과정보다 얼마나 지배적인가?
• RQ5 이러한 효과가 인플레이션 우주론에서 재가열 기간 동안 도달하는 최대 온도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 가상 중간 상태에서 기인하는 비가속도 기여는 중간 정도의 열 너비 조건에서도 가속도 과정과 비슷한 정도로 이완 속도에 기여할 수 있다.
• 스펙트럴 밀도의 해석적 구조는 고차수 과정이 준입자 프로파게이터의 복소 극에 포함되어 있음을 보여주며, 너비가 이러한 기여의 강도를 매개함을 나타낸다.
• 좁은 너비 근사에서 이론은 표준 준입자 그림을 복원하지만, 복소 자기에너지에 의해 수정된 에너지 보존 법칙이 적용된다.
• 스칼라 장의 삼중 상호작용을 통한 이완 속도에는 비가속도 기여가 포함되며, 이는 무시할 수 없고 열 너비 및 운동량 이동에 따라 달라진다.
• 요다 결합을 통한 페르미온의 이완은 비가속도 과정으로 인해 유사한 증가 효과를 보이며, 스펙트럴 밀도와 자기에너지에 대한 해석적 표현이 유도되었다.
• 우주론적 재가열에서 비가속도 효과를 포함하면 효과적 이완 속도가 증가하여, 인플라톤 붕괴 기간 동안 도달하는 최대 온도가 높아질 수 있다.