[论文解读] Inflationary Magnetogenesis and Anomaly Cancellation in Electrodynamics

Sumanta Chakraborty, Supratik Pal+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2018

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 72被引用 5

一句话总结

本文提出，原初磁场所源于量子电动力学中的反常抵消，通过打破共形不变性，生成具有非平凡谱指数的尺度依赖磁能谱。该模型预测在较大参数空间中，可在暴胀期间产生强烈的星系际磁场所。

ABSTRACT

Primordial magnetic field generated in the inflationary era can act as a viable source for present day intergalactic magnetic field of significant strength. We present a fundamental origin for such primordial generation of magnetic field, namely through anomaly cancellation of $U(1)$ gauge field in quantum electrodynamics. Addition of this term explicitly breaks conformal invariance of the theory necessary to generate magnetic field of sufficient strength. We have analysed at length the power spectrum of the magnetic field thus generated. We have also found that magnetic power spectrum has significant scale-dependance giving rise to a non-trivial magnetic spectral index, a key feature of this model. Interestingly, there exists a large parameter space where magnetic field of significant strength can be produced.

研究动机与目标

• 识别一种原初磁场所的根本量子起源，以作为现今星系际磁场所的种子。
• 研究U(1)规范理论中的反常抵消如何打破共形不变性，从而在暴胀期间实现磁场所生成。
• 分析所生成磁场所的功率谱及其尺度依赖性。
• 确定可产生具有宇宙学相关强度的强磁场所的参数空间。

提出的方法

• 在U(1)规范场作用量中引入手征反常项，作为打破共形不变性的来源。
• 推导出与手征费米子耦合的U(1)规范场的有效作用量，包含反常诱导项。
• 在暴胀期间的de Sitter时空中，使用线性响应理论计算磁场所功率谱。
• 分析磁场所功率谱的谱指数，以确定其尺度依赖性。
• 在不同参数区域评估所生成磁场所的振幅，以识别可行的宇宙学情景。
• 应用标准暴胀场论技术计算关联函数，并提取可观测的磁场所强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 QED中的反常抵消能否提供一种在暴胀期间生成原初磁场所的根本机制？
• RQ2 反常项的引入如何打破共形不变性并实现磁场所的生成？
• RQ3 磁场所功率谱的功能形式为何？其是否表现出显著的尺度依赖性？
• RQ4 磁场所功率谱的谱指数为何？其如何影响所生成场的相干性？
• RQ5 在何种参数范围内，该模型可产生足够强的磁场所，以解释当前星系际磁场的观测？

主要发现

• QED中的反常抵消项为暴胀期间原初磁场所的生成提供了根本机制。
• 反常项对共形不变性的显式破坏，是产生足够强度磁场所的关键。
• 磁场所功率谱表现出显著的尺度依赖性，导致非平凡的谱指数。
• 该模型预测存在一个广阔的参数空间，可在其中生成具有宇宙学相关强度的磁场所。
• 尺度依赖的功率谱意味着磁场所强度在不同宇宙学尺度上发生变化，这是关键的可观测特征。
• 结果表明，反常驱动的磁生是其他暴胀机制在原初场生成方面的一种可行替代方案。