[论文解读] AXIAL ANOMALY IN 3HE-A: SIMULATION OF BARYOGENESIS AND GENERATION OF PRIMORDIAL MAGNETIC FIELDS IN MANCHESTER AND HELSINKI

G. E. Volovik|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 1998

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 59被引用 16

一句话总结

本文提出超流态³He-A可作为高能物理现象的凝聚态物质类比，通过无能隙费米子激发展示轴规范异常效应，实现电荷与动量的非守恒。该机制可实现无反物质产生的物质生成，并产生原初磁场，而涡旋动力学与逆流不稳定性则类比于早期宇宙中的重子数生成与超磁质子场生成。

ABSTRACT

Abstract The gapless fermionic excitations in superfluid 3He-A have a “relativistic” spectrum close to the gap nodes. They are the counterpart of chiral particles (left-handed and right-handed) in high-energy physics above the electroweak transition. We discuss the effective gravity and effective gauge fields induced by these massless fermions in the low-energy corner. The interaction of the chiral fermions with the gauge field in 3He-A is discussed in detail. It gives rise to the effect of axial anomaly: conversion of charge from the coherent motion of the condensate (vacuum) to the quasiparticles (matter). The charge of the quasiparticles is thus not conserved. In other words, matter can be created without creating antimatter. This effect is instrumental for vortex dynamics, in which the vortex is the mediator of conversion of linear momentum from the condensate to the normal component via spectral flow in the vortex core. The same effect leads to the instability of the counterflow in 3He-A, in which the flow of the normal component (incoherent degrees of freedom) is transformed to the order parameter texture (coherent degrees of freedom). We discuss the analogues of these phenomena in high-energy physics. The conversion of the momentum from the vortex to the heat bath is equivalent to the nonconservation of baryon number in the presence of textures and cosmic strings. The counterflow instability is equivalent to the generation of the hypermagnetic field via the axial anomaly. We discuss also an analogue of axions and different sources of the mass of the `hyperphoton' in 3He-A.

研究动机与目标

• 将³He-A确立为研究高能物理中轴规范异常效应的实验室类比系统。
• 探究³He-A中手征性费米子如何导致电荷与动量的非守恒，类比于重子数的破坏。
• 探索涡旋动力学与凝聚体动量向准粒子激发转换之间的关联。
• 将逆流不稳定性建模为通过轴规范异常类比超磁质子场生成的过程。
• 识别³He-A系统中轴子与超光子质量的类比物。

提出的方法

• 分析³He-A的低能有效理论，重点关注接近能隙节点处具有相对论色散关系的无能隙费米子模式。
• 推导由手征性费米子在超流态中诱导的有效引力与规范场。
• 应用轴规范异常形式化方法，描述从凝聚体（真空）到准粒子（物质）的电荷转换。
• 将涡旋核心动力学建模为一种谱流机制，将动量从凝聚体传递至正常组分。
• 研究逆流不稳定性作为非相干流动转化为有序序参数结构的过程。
• 在³He-A哈密顿量中识别出涌现的规范场及可能的轴子样模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 ³He-A中的轴规范异常如何导致准粒子电荷的非守恒？
• RQ2 涡旋在通过谱流机制将凝聚体动量传递给准粒子的过程中起什么作用？
• RQ3 ³He-A中的逆流不稳定性如何类比于早期宇宙中超磁质子场的生成？
• RQ4 ³He-A系统中轴子与超光子的类比物是什么？
• RQ5 有效引力场与规范场如何从³He-A中的手征性费米子激发中涌现？

主要发现

• ³He-A中的轴规范异常导致准粒子电荷的非守恒，从而实现无反物质产生的物质生成。
• 涡旋核心动力学介导了凝聚体动量向热浴激发的转换，类比于宇宙弦中的重子数破坏。
• ³He-A中的逆流不稳定性导致有效规范场的生成，类比于通过轴规范异常实现的超磁质子场产生。
• 该系统表现出涌现的规范场及可能的轴子样模式，且存在超光子质量生成的潜在机制。
• ³He-A的有效场论重现了高能物理的关键特征，包括手征性异常与拓扑缺陷中的谱流。
• ³He-A的低能动力学为研究宇宙学中的重子数生成与原初磁场提供了可控的类比系统。