[论文解读] Non-Equilibrium Dynamics of Phase Transitions: From the Early Universe to Chiral Condensates

D. Boyanovsky, H. J. de Vega+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 1994

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 14被引用 5

一句话总结

本文利用非平衡量子场论技术研究宇宙学与粒子物理中的相变，聚焦于早期宇宙中对称性自发破缺的动力学及手征子凝聚的形成。研究结果表明，不稳定性与关联畴的形成会破坏标准的‘慢滚’暴胀图像，并推导出标量场（inflaton）演化的有效方程，显示量子涨落与热涨落显著影响非对称手征子凝聚的产生，可能对加速器实验具有重要意义。

ABSTRACT

In this brief review we introduce the methods of quantum field theory out of equilibrium and study the non-equilibrium aspects of phase transitions. Specifically we critically study the picture of the ``slow-roll'' phase transition in the new inflationary models, we show that the instabilities that are the hallmark of the phase transition, that is the formation of correlated domains, dramatically change this picture. We analyze in detail the dynamics of phase separation in strongly supercooled phase transitions in Minkowski space. We argue that this is typically the situation in weakly coupled scalar theories. The effective evolution equations for the expectation value and the fluctuations of an inflaton field in a FRW cosmology are derived both in the loop expansion and in a self-consistent non-perturbative scheme. Finally we use these non-equilibrium techniques and concepts to study the influence of quantum and thermal fluctuations on the dynamics of a proposed mechanism for the formation of disoriented chiral condensates during a rapid phase transition out of equilibrium. This last topic may prove to be experimentally relevant at present accelerator energies. To appear in the Proceedings of the `2nd. Journée Cosmologie', Observatoire de Paris, 2-4, June 1994. H J de Vega and N. Sánchez, Editors, World Scientific.

研究动机与目标

• 理解量子场论中相变的非平衡动力学，特别是宇宙学与高能物理背景下的情形。
• 通过分析对称性破缺过程中的不稳定性与畴结构形成，挑战新暴胀模型中传统的‘慢滚’图像。
• 利用微扰与非微扰方法，在FRW时空背景下推导标量场（inflaton）的有效动力学方程。
• 研究在快速、非平衡相变过程中，量子涨落与热涨落对手征子凝聚形成的影响。
• 评估这些动力学在当前加速器能量下可能的实验相关性。

提出的方法

• 使用非平衡量子场论技术描述远离热平衡的时变系统。
• 应用圈图展开与自洽非微扰方案，推导FRW宇宙学中标量场（inflaton）期望值与涨落的有效方程。
• 将闵可夫斯基空间中的强超冷相变作为弱耦合标量理论的模型进行分析。
• 研究相变过程中由于动力学不稳定性导致的关联畴形成，这些过程破坏了慢滚情景。
• 将这些方法应用于研究通过快速、非平衡淬火形成非对称手征子凝聚（DCC）的动力学。
• 考虑量子涨落与热涨落对手征子凝聚序参量时间演化的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 动力学不稳定性与关联畴形成如何改变新暴胀模型中相变的标准‘慢滚’图像？
• RQ2 在FRW时空背景下，通过微扰与非微扰方法推导出的标量场（inflaton）有效演化方程是什么？
• RQ3 在快速、非平衡相变过程中，量子涨落与热涨落如何影响手征子凝聚形成的动力学？
• RQ4 闵可夫斯基空间中相分离的非平衡动力学在多大程度上可作为弱耦合标量理论的现实模型？
• RQ5 本文描述的机制是否可能在当前加速器能量下产生可实验观测的非对称手征子凝聚信号？

主要发现

• 新暴胀模型的标准‘慢滚’图像在相变过程中因动力学不稳定性与关联畴的形成而受到显著破坏。
• 在FRW宇宙学中，通过圈图展开与非微扰自洽方案，成功推导出标量场（inflaton）期望值与涨落的有效方程。
• 在闵可夫斯基空间中，强超冷相变导致长波长关联与畴结构的形成，其机制源于参量共振与不稳定带。
• 量子涨落与热涨落对手征子凝聚形成动力学起着关键作用，影响序参量的时间演化与空间结构。
• 手征子凝聚形成过程中的非平衡动力学可能在高能加速器实验中产生可观测信号，提示其潜在的实验相关性。