[論文レビュー] Chiral imbalance evolution in dense matter and the generation of magnetic fields in magnetars

Maxim Dvornikov|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2015

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 34被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、密度の高い中性子星物質におけるパリティ破れの電弱相互作用を通じて、磁星における磁場生成のメカニズムを提案する。量子場理論を用いて、ヘリシティ不均衡の時間発展をモデル化し、電子が陽子と散乱する際のヘリシティ反転率を導出し、エネルギー収支と正しい反転率が、持続的な磁場増幅をもたらすことを示している。これは、磁星の磁場強度を熱力学的に整合的に説明するものである。

ABSTRACT

We study the model for the magnetic field generation in a magnetar based on the magnetic field instability driven by the parity violating electroweak interaction between electrons and nucleons in the neutron star matter. Using the quantum field theory methods, we calculate the helicity flip of an electron scattering off protons in dense matter of a neutron star. The influence of the electroweak interaction between electrons and background nucleons on the helicity flip is examined. We also derive the kinetic equation for the chiral imbalance. The kinetics of the chiral imbalance is analyzed from the point of view of thermodynamics. The evolution of the magnetic field in a magnetar accounting for the correct value of the helicity flip rate and the energy balance between the field and background fermions is studied.

研究の動機と目的

• パリティ破れの電弱相互作用が中性子星物質における磁場不安定性を引き起こす役割を調査すること。
• 量子場理論的手法を用いて、密度の高い物質におけるヘリシティ不均衡の時間発展をモデル化すること。
• 熱力学的文脈においてヘリシティ不均衡ダイナミクスを支配する運動論方程式を導出し、分析すること。
• 磁星の状態における生成された磁場と背景フェルミ粒子との間のエネルギー収支を評価すること。

提案手法

• 密度の高い中性子星物質における電子が陽子と散乱する際のヘリシティ反転振幅を、量子場理論を用いて計算すること。
• 電弱相互作用の頂点を介して、背景核子が電子のヘリシティ反転に与える影響を組み込むこと。
• 計算されたヘリシティ反転率に基づき、ヘリシティ不均衡発展のための運動論方程式を導出すること。
• ヘリシティ不均衡発展の熱力学的整合性と、磁場増幅に与える影響を分析すること。
• 磁場とフェルミ粒子背景の間のエネルギー保存則を組み合わせることで、磁場発展をシミュレートすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 密度の高い物質における電子と核子の電弱相互作用が、電子のヘリシティ反転率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 パリティ破れの相互作用の影響を受ける中性子星物質におけるヘリシティ不均衡の運動論的発展はいかなるものか？
• RQ3 磁星の状態における磁場と背景フェルミ粒子との間のエネルギー収支は、磁場増幅にどのように制約を加えるか？
• RQ4 観測された磁星の磁場は、電弱相互作用によって駆動されるヘリシティ不均衡によって一貫して説明可能か？

主な発見

• 密度の高い物質における電子が陽子と散乱する際のヘリシティ反転率は、背景核子とのパリティ破れの電弱相互作用によって顕著に影響を受ける。
• 導出されたヘリシティ不均衡の運動論方程式は、密度の高い中性子星物質におけるヘリシティ非対称性の時間発展を正確に記述している。
• 磁場増幅の過程で磁場と背景フェルミ粒子との間のエネルギー交換を考慮した場合、熱力学的整合性が保たれている。
• 正しいヘリシティ反転率を用いることで、磁場増幅が持続的であることが示され、磁星レベルの磁場を生成する有効なメカニズムであることが示された。
• このモデルは、電弱相互作用によって駆動されるヘリシティ不均衡の発展が、磁星で観測される極めて強い磁場を説明できることを示している。