[論文レビュー] Resonant Amplification of Electromagnetic Fields

F. Finelli⋆, A. Gruppuso|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2000

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、スカラー場または軸子がその振動期にあり、宇宙が膨張する中で、ゲージ場の揺らぎがパラメトリック共鳴によって指数関数的に増幅されるメカニズムを調査している。このメカニズムは、電荷や電流による反作用が存在しても、ゲージ場ダイナミクスにおける持続的な不安定性のおかげで、大スケールの初期宇宙磁場を生成する有効な道筋を示唆している。

ABSTRACT

We investigate the possibility that gauge fluctuations are amplified in an expanding universe by parametric resonance, during the oscillatory regime of a scalar field to which they are coupled. We investigate the couplings of gauge fields to a charged scalar field and to an axion. For both couplings, gauge field fluctuations undergo exponential instabilities. We discuss how the presence of other charges or currents may counteract the resonance, but we argue that in some cases the resonance will persist and that hence this mechanism could have some relevance for the problem of large scale primordial magnetic fields.

研究の動機と目的

• スカラー場の振動期に、膨張する宇宙の中でゲージ場の揺らぎが増幅されるかどうかを検討すること。
• 電荷を帯びたスカラー場や軸子との結合を通じて、電磁場の揺らぎがどのように増幅されるかを分析すること。
• 背景電荷や電流が存在する状況でも、この増幅メカニズムの頑健さを評価すること。
• このメカニズムが大スケールの初期宇宙磁場の起源にとってどのような関連性を有するかを評価すること。

提案手法

• 有効場理論の手法を用いて、ゲージ場とスカラー場または軸子の結合をモデル化すること。
• 時間的に変化する結合を持つ膨張背景におけるゲージ場揺らぎの運動方程式を分析すること。
• パラメトリック共鳴の手法を適用し、ゲージ場モードにおける指数的増大の不安定性を同定すること。
• WKB近似とモード関数解析を用いて、ゲージ場振幅の時間発展を研究すること。
• 背景電流や電荷が共鳴条件および不安定性の増大に与える影響を評価すること。
• 安定性解析を通じて、反作用源が存在しても不安定性が持続するかを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー場の振動期に、膨張する宇宙の中でゲージ場の揺らぎがパラメトリック共鳴によって指数関数的に増幅されるか？
• RQ2 電荷を帯びたスカラー場や軸子との結合は、電磁場揺らぎの増大にどのように影響するか？
• RQ3 背景電荷や電流は、ゲージ場の共鳴的増幅をどの程度抑制できるか？
• RQ4 反作用源が存在する状況でも、共鳴メカニズムが有効に機能する条件は何か？
• RQ5 このメカニズムは、大スケールの初期宇宙磁場生成にどのような意味を持つのか？

主な発見

• スカラー場または軸子が振動期にあり、かつゲージ場がそれに結合している場合、パラメトリック共鳴による指数的不安定性がゲージ場揺らぎに現れる。
• 背景電荷や電流が存在しても、この共鳴メカニズムは持続するため、現実の宇宙論的条件下でも頑健であることが示唆される。
• 膨張宇宙における時間的に変化する結合のおかげで、特定の場のモードが共鳴的に増大する。
• このメカニズムは、量子揺らぎから大スケールの初期宇宙磁場を生成する有効な道筋を提供する。
• このプロセスは、宇宙構造における観測された初期磁場の種の生成に大きく寄与する可能性がある。