[论文解读] A Kinetic Theory of Axions in Magnetized Plasmas: the Axionon

Luca Visinelli, Hugo Terças|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2018

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文为磁化等离子体中的轴子样粒子发展了一套动理学理论，通过轴子-光子相互作用分析其电磁耦合。研究识别出两种不同模式：超光速、无阻尼的波与亚光速、非周期性阻尼的波，其中朗道阻尼在轴子能量向等离子体波转移中起关键作用。

ABSTRACT

We present an analytic study of the dispersion relation for an isotropic, non-degenerate plasma interacting with an axion-like particle through the axion-photon coupling. We aim to provide a general qualitative picture of the electromagnetic oscillations for both the ultra-relativistic and non-relativistic plasmas, taking into account separate parts of the dispersion curves depending on the plasma temperature and the ratio of the phase velocity to the characteristic velocity of the particles. We include the treatment of the Landau damping, which could be responsible for a sympathetic damping of axions in the plasma waves. We show that there are two kinds of electromagnetic oscillations, i.e. normal super-luminous, undamped and sub-luminous, aperiodically damped oscillations.

研究动机与目标

• 为非简并、各向同性的等离子体中的轴子样粒子建立动理学理论框架。
• 理解在轴子-光子耦合存在下电磁振荡的色散关系。
• 研究朗道阻尼在等离子体波中对轴子能量协同损失的作用。
• 基于相速度与等离子体温度对电磁模式进行分类。
• 在相对论与非相对论 regimes 中提供轴子-等离子体相互作用的定性但解析的图像。

提出的方法

• 提出一种动理学理论方法，以描述磁化等离子体中的轴子样粒子。
• 推导包含轴子-光子耦合效应的电磁波色散关系。
• 应用动理学理论以考虑粒子速度分布与相速度依赖性。
• 通过 Vlasov-Poisson-Boltzmann 框架引入朗道阻尼，以描述波-粒子相互作用。
• 根据温度与速度比，将分析划分为极端相对论与非相对论等离子体 regimes。
• 使用解析解将波模式分类为超光速或亚光速，并具有不同的阻尼行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 轴子-光子耦合如何改变等离子体中电磁波的色散关系？
• RQ2 在轴子样粒子存在下，会涌现出哪些不同的电磁波模式？
• RQ3 朗道阻尼如何影响轴子向等离子体波的能量转移？
• RQ4 等离子体温度与粒子速度比如何影响电磁振荡的性质？
• RQ5 轴子-等离子体相互作用在极端相对论与非相对论等离子体 regimes 中的定性行为如何？

主要发现

• 识别出两种不同的电磁波模式：超光速、无阻尼的波与亚光速、非周期性阻尼的波。
• 轴子-光子耦合导致色散关系发生改变，从而产生标准等离子体理论中不存在的新波模式。
• 研究表明，朗道阻尼是通过能量转移至等离子体波，实现轴子协同阻尼的机制。
• 波模式的分类关键取决于相速度与粒子特征速度之比。
• 由于速度分布的影响，极端相对论与非相对论等离子体 regimes 展现出定性不同的波行为。
• 该解析框架成功捕捉了基于等离子体温度与相速度的主导波模式之间的转变。