[論文レビュー] 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 Zadeh+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 102被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、初期宇宙の対称性相（100 GeV ≤ T ≤ 10 TeV）における非ヘリカルなハイパーマグネティック場（Bz）、渦度、および物質-反物質非対称性（η）の相乗的相互作用を調査する。異常磁流体力学（AMHD）にキラル磁場効果（CME）とキラル渦効果（CVE）を組み合わせることで、非ヘリカルなBz成分がCMEを通じてヘリシティの生成と増幅を可能にし、バリオン非対称性の生成を引き起こすことが示された。最終的な非対称性値は初期条件に応じて約10⁻⁹–10⁻⁷に達し、Bzが渦度の飽和と非対称性の増幅に不可欠であることが明らかになった。

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.

研究の動機と目的

• 非ヘリカルなハイパーマグネティック場（Bz）の成分が、初期宇宙における物質-反物質非対称性（η）、渦度、およびヘリシティの進化に与える影響を理解すること。
• キラル渦効果（CVE）およびキラル磁場効果（CME）を通じて、ハイパーマグネティック場とプラズマの渦度の間のフィードバック機構を検討すること。
• 非ヘリカルなBzがヘリシティとバリオン非対称性を生成・増幅できる条件、特に初期キラル非対称性が存在しない場合の条件を特定すること。
• 初期条件の変化（初期渦度およびBz強度を含む）に応じて、最終的なη、渦度、およびヘリシティの値を定量化すること。

提案手法

• 100 GeV ≤ T ≤ 10 TeVの対称性相における初期宇宙プラズマのモデルを構築し、ヘリカルおよび非ヘリカルなハイパーマグネティック場成分を含む。
• キラル磁場効果（CME）とキラル渦効果（CVE）を組み込んだ異常磁流体力学（AMHD）方程式を用いて、電流生成と場の進化を記述する。
• x = (TEW/T)²を用いた次元なし変数を導入し、高温から電弱転移温度へとシステムを進化させる。
• CME、CVE、および異常発散項の寄与を含む、キラル非対称性（ηR, ηL）および渦度の進化方程式を導出する。
• 初期ηeRあり、初期ηeRなし、および強いBzのみの3つのシナリオについて、数値的にシステムを解く。
• 弱結合（μ/T ≪ 1）および小速度（v ≪ 1）の仮定のもと、CMEおよびCVE係数をξB ≈ QRμR/(4π²)およびξv ≈ μ²R/(8π²)に簡略化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非ヘリカルなハイパーマグネティック場成分（Bz）は、初期宇宙プラズマにおけるヘリシティの生成および増幅にどのように影響するか？
• RQ2 Bzの存在下で、CVEとCMEの相乗的相互作用によって、渦度および物質-反物質非対称性（η）はどの程度生成され、飽和するか？
• RQ3 初期渦度および初期キラル非対称性が、最終的なηおよび渦度の値を決定する上で果たす役割は何か？
• RQ4 初期キラル非対称性が存在しない状況で、強い非ヘリカルBzがバリオン非対称性生成を顕著に駆動できるか？
• RQ5 初期Bz強度の変化に応じて、最終的なη、渦度、およびヘリシティの値はどのように変化するか？

主な発見

• 最初のシナリオでは、初期渦度および大きなηeRが存在する場合、CVEによるヘリシティ生成とCMEによる増幅が生じ、最終的なバリオン非対称性は約10⁻⁹のオーダーに達する。
• 粘性が存在する中でも、Bzがプラズマに及える逆作用のため、渦度は非ゼロの値に飽和する。この値は初期Bz強度に依存する。
• 初期渦度を増加させると、飽和への到達が速まるが、電弱転移におけるヘリシティおよびηの最終値に変化は生じない。
• 2番目のシナリオでは、初期ηsがゼロの場合、より高い初期渦度を要するが、最終的なη値は約10⁻⁹のオーダーに達する。ただし、飽和曲線には到達しない。
• 3番目のシナリオでは、強い初期Bzが存在し、初期ヘリシティがゼロの場合、最終的なη値は約10⁻⁷のオーダーに達し、ヘリシティおよび渦度はゼロから成長する。
• 非ヘリカルなBz成分は、渦度の飽和と非対称性の増幅に不可欠である。Bz強度を増加させると最終的な渦度は増加するが、飽和閾値を超えると、最終的なη値に顕著な変化は生じない。