[논문 리뷰] The effects of non-helical component of hypermagnetic field on the evolution of the matter-antimatter asymmetry, vorticity, and hypermagnetic field

S. Abbaslu, S. Rostam Zadeh외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 11.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 102인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 초기 우주에서 대칭 상태(100 GeV ≤ T ≤ 10 TeV)에서 비회전성 초자기장(Bz), 코어티시티(vorticity), 그리고 물질-반물질 비대칭도(η) 간의 상호작용을 조사한다. 비회전성 Bz 성분이 케일러 자기효과(CME)를 통해 헬리시티 생성 및 증폭을 가능하게 하여 양성자 비대칭도 생성에 기여함을 보여준다. 최종 비대칭도 값은 초기 조건에 따라 약 10⁻⁹–10⁻⁷ 수준에 도달하며, Bz는 코어티시티 포화 및 비대칭도 증폭에 핵심적이다.

ABSTRACT

We study the evolution of the matter-antimatter asymmetry ({\eta}), the vorticity, and the hypermagnetic field in the symmetric phase of the early Universe, and in the temperature range 100 GeV < T < 10 TeV. We assume a configuration for the hypermagnetic field which includes both helical and non-helical (Bz) components. Consequently, the hypermagnetic field and the fluid vorticity can directly affect each other, the manifestations of which we explore in three scenarios. In the first scenario, we show that in the presence of a small vorticity and a large {\eta}eR, helicity can be generated and amplified for an initially strong Bz. The generation of the helical seed is due to the chiral vortical effect (CVE) and/or the advection term, while its growth is mainly due to the chiral magnetic effect (CME) which leads to the production of the baryon asymmetry, as well. The vorticity saturates to a nonzero value which depends on Bz, even in the presence of the viscosity, due to the back-reaction of Bz on the plasma. Increasing the initial vorticity, makes the values of the helicity, {\eta}s, and vorticity reach their saturation curves sooner, but does not change their final values at the onset of the electroweak phase transition. The second scenario is similar to the first except we assume that all initial {\eta}s are zero. We find that much higher initial vorticity is required for the generation process. In the third scenario, we show that in the presence of only a strong hypermagnetic field, {\eta}s and vorticity can be generated and amplified. Increasing the initial helicity, increases the final {\eta}s and vorticity. We find that although the presence of a nonzero initial Bz is necessary in all three scenarios, its increase only increases the final values of vorticity.

연구 동기 및 목표

• 비회전성 초자기장 성분(Bz)이 초기 우주에서 물질-반물질 비대칭도(η), 코어티시티, 헬리시티의 진화에 미치는 영향를 이해하는 것.
• 코어티시티와 플라즈마의 상호작용을 통해 케일러 코어티시티 효과(CVE)와 케일러 자기효과(CME)를 통해 초자기장과 코어티시티 간의 피드백 메커니즘을 검토하는 것.
• 비회전성 Bz가 초기 케일러 비대칭도가 없는 조건에서도 헬리시티 생성 및 증폭이 가능해지는 조건을 규명하는 것.
• 초기 조건의 다양성(초기 코어티시티 및 Bz 강도 포함)에 따라 η, 코어티시티, 헬리시티의 최종 값을 정량화하는 것.

제안 방법

• 대칭 상태(100 GeV ≤ T ≤ 10 TeV)에서 비회전성 및 비회전성 초자기장 성분을 포함한 초기 우주 플라즈마 모델을 수립한다.
• 케일러 자기효과(CME)와 케일러 코어티시티 효과(CVE)를 포함한 비정상 자기유체역학(AMHD) 방정식을 적용하여 전류 생성 및 자기장 진화를 기술한다.
• x = (TEW/T)²를 통해 차원 없는 변수를 도입하여 고온에서 전이 온도로의 시스템 진화를 기술한다.
• CME, CVE 및 비정상 수렴 항의 기여를 포함한 케일러 비대칭도(ηR, ηL)와 코어티시티의 진화 방정식을 유도한다.
• 초기 ηeR가 있는 경우, 없는 경우, 강한 Bz만 존재하는 경우의 세 가지 시나리오에 대해 수치적으로 시스템을 해석한다.
• 약한 결합(μ/T ≪ 1)과 소규모 속도(v ≪ 1)를 가정하여 CME 및 CVE 계수를 간단화하여 ξB ≈ QRμR/(4π²) 및 ξv ≈ μ²R/(8π²)로 근사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비회전성 초자기장 성분(Bz)이 초기 우주 플라즈마에서 헬리시티 생성 및 증폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 CVE와 CME의 상호작용을 통해 Bz 존재 조건에서 코어티시티와 물질-반물질 비대칭도(η)가 얼마나 강하게 생성되고 포화되는가?
• RQ3 초기 코어티시티와 초기 케일러 비대칭도가 최종 η 및 코어티시티 값에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 초기 케일러 비대칭도가 없는 조건에서 강력한 비회전성 Bz만으로도 유의미한 양성자 비대칭도 생성이 가능한가?
• RQ5 초기 Bz 강도에 따라 최종 η, 코어티시티, 헬리시티 값은 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 첫 번째 시나리오에서 초기 코어티시티와 큰 ηeR 조건 하에 CVE를 통해 헬리시티가 생성되고 CME에 의해 증폭되어 최종적으로 양성자 비대칭도가 약 10⁻⁹ 수준에 도달한다.
• 점성 존재 조건에서도 Bz의 플라즈마에 대한 역작용으로 인해 코어티시티는 비영인 값으로 포화되며, 이는 초기 Bz 강도에 의존한다.
• 초기 코어티시티를 증가시키면 포화에 도달하는 데 시간이 단축되지만, 전이 온도에서의 최종 헬리시티 또는 η 값은 변화가 없다.
• 두 번째 시나리오에서 초기 ηs가 0인 조건에서는 매우 높은 초기 코어티시티가 필요하나 최종 η 값은 약 10⁻⁹ 수준에 도달 가능하며, 포화 곡선은 도달하지 못한다.
• 세 번째 시나리오에서 강력한 초기 Bz만 존재하고 초기 헬리시티가 없을 경우 최종 η 값은 약 10⁻⁷ 수준에 도달 가능하며, 헬리시티와 코어티시티는 0에서부터 증가한다.
• 비회전성 Bz 성분은 코어티시티 포화 및 비대칭도 증폭에 필수적이며, Bz 강도를 증가시키면 최종 코어티시티는 증가하지만, 포화 임계값을 초과하면 최종 η 값은 유의미하게 변화하지 않는다.