[논문 리뷰] Schwinger effect, backreaction and magnetogenesis in de Sitter spacetime

Clément Stahl, She-Sheng Xue|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 22.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 1+1 차원에서의 de Sitter 시공간에서의 Schwinger 쌍 생성 현상을 조사하며, 페르미온 쌍이 아인슈타인-맥스웰 방정식을 통해 전자기장에 어떻게 역작용하는지 분석한다. 연구 결과, 페르미온 쌍은 전기장을 억제하거나 그대로 유지하여 자기장 생성을 방지하지만, 경량 보손의 경우 잠재적인 증폭 현상이 관찰되어 초기 우주의 자기장 생성을 위한 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

We consider the particle-antiparticle pairs produced by both a strong electric field and de Sitter curvature. We investigate in 1+1 D the backreaction of the pairs on the electromagnetic field. To do so we describe the canonical quantization of an electromagnetic field in de Sitter space and add in the Einstein-Maxwell equation the fermionic current induced by the pairs. After solving this equation, we find that the electric field gets either damped or unaffected depending on the value of the pair mass and the gauge coupling. No enhancement of the electromagnetic field to support a magnetogenesis scenario is found. The physical picture is that the Schwinger pairs locally created screen the production and amplification of the electromagnetic field. However, if one considers light bosons created by the Schwinger mechanism, we report a solution to the Einstein-Maxwell equation with an enhancement of the electromagnetic field. This solution could be a new path to primordial magnetogenesis.

연구 동기 및 목표

• 1+1 차원에서의 Schwinger 쌍 생성과 de Sitter 곡률 간의 상호작용을 연구하기 위해.
• 곡률가진 시공간에서 생성된 페르미온 쌍의 전자기장에 대한 역작용을 분석하기 위해.
• 역작용이 자기장 생성에 적합한 전자기장 증폭을 이끌 수 있는지 판단하기 위해.
• 페르미온 대신 경량 보손이 초기 자기장 생성에 유망한 메커니즘을 제공할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• de Sitter 시공간에서 전자기장의 캐논ical 양자화를 수행하기 위해.
• 강한 전기장 조건 하에서 Schwinger 쌍에 의해 유도된 페르미온 전류를 계산하기 위해.
• 유도된 전류를 아인슈타인-맥스웰 방정식에 포함하여 역작용 효과를 모델링하기 위해.
• 1+1 차원에서 수정된 아인슈타인-맥스웰 방정식을 수치적 또는 해석적으로 풀기 위해.
• 다양한 페르미온 질량과 게이지 결합 상수에 대해 전기장의 진화를 비교하기 위해.
• 장기적인 필드 증폭 잠재성을 평가하기 위해 분석을 경량 보손으로 확장하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 de Sitter 시공간에서 Schwinger에 의해 생성된 페르미온 쌍의 역작용이 전자기장을 증폭시키는가?
• RQ2 페르미온 쌍의 질량이 전기장에 대한 역작용에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 유도된 페르미온 전류가 지속적이거나 증폭된 전자기장을 이끌 수 있는가, 이는 자기장 생성 시나리오를 뒷받침하는가?
• RQ4 게이지 결합 상수가 역작용의 강도와 부호를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 Schwinger 메커니즘을 통해 생성된 경량 보손은 다른 역작용 행동을 보이며 전자기장 성장을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 페르미온 쌍의 역작용은 쌍의 질량과 게이지 결합 상수에 따라 전기장을 억제하거나 그대로 유지한다.
• 페르미온의 경우 전자기장 증폭이 관찰되지 않아 자기장 생성 메커니즘으로서 이는 배제된다.
• 쌍 생성에 의한 국소적 스크리닝 효과가 필드 증폭을 방지하고 전기장의 성장을 제한한다.
• 경량 보손의 경우, 전자기장 증폭을 보이는 아인슈타인-맥스웰 방정식의 해를 발견하였다.
• 이 증폭 현상은 보손성 Schwinger 쌍을 통한 초기 자기장 생성의 잠재적 새로운 길을 시사한다.
• 결과는 de Sitter 시공간에서 페르미온과 보손 간의 역작용 행동에 근본적인 차이가 있음을 나타낸다.