[论文解读] Chern-Simmons electrodynamics and torsion dark matter axions

Zhi‐Fu Gao, L. C. García de Andrade|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2024

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文在包含轴子-张力耦合的陈-西蒙斯电动力学框架下，研究了通过暗光子实现的张力诱导的原初磁场阻尼。结果表明，当轴向张力的0分量为10⁸ MeV且暗光子质量接近轴子质量时，磁场在QCD标度下阻尼至约10⁻⁸ G，与当前宇宙观测一致；同时在特定张力手征性条件下，也实现了发电机机制。

ABSTRACT

In this paper, we delve into the influence of torsion axial pseudo vector on dark photons in an axion torsionic background, as investigated previously by Duncan et al[ Nucl Phys B 387:215 (1992)]. Notably, axial torsion, owing to its significantly greater mass compared to axions, gives rise to magnetic helicity in torsionful Chern-Simons (CS) electrodynamics, leading to the damping of magnetic fields. In QCD scale the damping from dark massive photons leads us to obtain a magnetic field of $10^{-8}$ Gauss, which is approximated the order of magnitude of magnetic fields at present universe. This result is obtained by considering that torsion has the value of the 1 MeV at the early universe, and can be improved to the higher value of $10^{-3}$ Gauss when the axial torsion 0-component is given by $10^{8}$ MeV and the mass of dark photon is approximated equal to the axion. The axion plays a crucial role in achieving CS dynamo action arising from axions. This study is useful in deepening our understanding of fundamental physics, from nuclear interactions to the nature of dark matter.

研究动机与目标

• 研究在含张力的陈-西蒙斯电动力学框架下，轴向张力对暗光子的影响。
• 确定张力与轴子相互作用如何影响QCD标度下的磁场阻尼。
• 探讨由轴向张力与暗光子质量驱动的发电机机制的可行性。
• 将轴子-张力转换与可观测的原初磁场强度联系起来。

提出的方法

• 构建一个包含动能项与势能项的陈-西蒙斯电动力学与轴子及暗光子耦合的广义作用量。
• 通过对方程作用量关于轴子场与规范势的变分，推导场方程。
• 在假设 B = B_seed × exp(γt) 的条件下求解磁波方程，以分析磁场的增长或衰减。
• 分析 γ 的特征方程，根据张力手征性与质量参数确定发电机是否启动或发生阻尼。
• 以QCD标度为参考，假设初始磁场 B_seed ≈ 10¹⁷ G，并评估其阻尼至 B_QCD ≈ 10⁻⁸ G 的结果。
• 考虑磁螺旋密度与贝尔特拉米-麦克斯韦条件在维持螺旋磁场中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含暗光子的陈-西蒙斯电动力学中，轴向张力如何影响磁场的阻尼？
• RQ2 在早期宇宙中，轴向张力是否能触发发电机机制？在何种条件下？
• RQ3 当轴向张力的0分量达到10⁸ MeV且暗光子质量与轴子质量相等时，QCD标度下的磁场强度是多少？
• RQ4 轴子-张力转换如何影响原初磁场的演化？
• RQ5 轴向张力的符号（手征性）在磁场放大或衰减中起什么作用？

主要发现

• 在QCD标度下，由于具有质量的暗光子导致的阻尼效应，当轴向张力的0分量为10⁸ MeV且暗光子质量与轴子质量相等时，最终磁场强度约为10⁻⁸ Gauss。
• 该阻尼效应显著强于无张力的轴子电动力学（后者仅预测10⁻¹³ Gauss），表明张力起着关键作用。
• 当轴向张力约为10⁵ GeV或10⁻⁴ GeV时，可触发发电机机制，该能量尺度在LHC的探测范围内。
• 正的轴向张力导致磁场衰减，而负的（左手法性）轴向张力则可能引发磁场放大，具体取决于 γ 解分支的符号。
• 通过使用关系式 B_QCD = B × 10⁻²φ₀ 拟合观测到的 B_QCD ≈ 10⁻⁸ G，估算出初始轴子玻色子质量约为 ~0.1 GeV。
• 该模型支持轴子-张力转换的可能性，并提供了一种通过张力驱动的发电机机制生成可观测原初磁场的机制。