[论文解读] Electroweak Phase Transition in Strong Magnetic Fields in the Standard Model of Elementary Particles

V. V. Skalozub, Vadim Demchik|ArXiv.org|Dec 8, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 5被引用 7

一句话总结

本文在标准模型中，通过包含一阶量子修正和戴西图贡献的有限温度有效势，研究了强磁场和超荷磁场存在下的电弱相变。研究发现，无论是磁场还是超荷磁场均无法引发一阶相变；相反，在场强≥10²³ G时，相变仍保持为二阶相变，因此在平滑磁场条件下，标准模型中无法实现重子生成。

ABSTRACT

The electroweak phase transition in the magnetic and hypermagnetic fields is studied in the Standard Model on the base of investigation of symmetry behaviour within the consistent effective potential of the scalar and magnetic fields at finite temperature. It includes the one-loop and daisy diagram contributions. All discovered fundamental fermions and bosons are taken into consideration with their actual masses. The Higgs boson mass is chosen to be in the energy interval 75 GeV $\le m_H \le$ 115 GeV. The effective potential calculated is real at sufficiently high temperatures due to mutual cancellation of the imaginary terms entering the one-loop and the daisy diagram parts. Symmetry behaviour shows that neither the magnetic nor the hypermagnetic field does not produce the sufficiently strong first order phase transition. For the field strengths $H, H_Y$ $\ge 10^{23}$ G the electroweak phase transition is of second order at all. Therefore, baryogenesis does not survive in the Standard Model in smooth magnetic fields. The problems on generation of the fields at high temperature and their stabilization are also discussed in a consistent way. In particular, it is determined that the nonabelian component of the magnetic field $ (gH)^{1/2} \sim g^{4/3}T$ has to be produced spontaneously. To investigate the stability problem the $W$-boson mass operator in the magnetic field at high temperature is calculated in one-loop approximation. The comparison with results obtained in other approaches is done.

研究动机与目标

• 研究强磁场和超荷磁场对标准模型中电弱相变的影响。
• 确定此类磁场是否能触发重子生成所必需的一阶相变。
• 分析高温下磁场的稳定性和生成机制。
• 一致地计算有效势，包含有限温度下的单圈图和戴西图贡献。
• 评估希格斯玻色子质量（75–115 GeV）以及费米子/玻色子质量对相变行为的影响。

提出的方法

• 构建标量场和规范场的有限温度有效势，同时包含单圈图和戴西图贡献。
• 在计算中包含所有已知的基本费米子和玻色子及其物理质量。
• 使用有效势的实部以避免出现物理上不合理的虚部，确保高温下的稳定性。
• 在单圈近似下，评估高温下磁场中W玻色子质量算符的行为。
• 分析磁场的非阿贝尔分量，表明其可通过(gH)¹ᐟ² ∼ g⁴ᐟ³T自发生成。
• 与其他方法的结果进行比较，以验证一致性和准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 强磁场和超荷磁场是否能在标准模型中诱导一阶电弱相变？
• RQ2 当磁场强度超过10²³ G时，电弱相变的性质（一阶或二阶）是什么？
• RQ3 磁场的存在是否允许在标准模型中通过萨拉姆过程实现重子生成？
• RQ4 在早期宇宙的高温条件下，磁场如何生成并保持稳定？
• RQ5 希格斯玻色子质量在决定磁场下相变阶数方面起什么作用？

主要发现

• 对于磁场和超荷磁场强度≥10²³ G的情况，电弱相变保持为二阶相变，而非一阶相变。
• 由于单圈图与戴西图贡献之间的抵消，有效势在高温下保持为实数。
• 在平滑磁场条件下，由于相变并非强一阶，标准模型中排除了重子生成的可能性。
• 非阿贝尔磁场分量(gH)¹ᐟ²被预测在高温下自发生成，其标度为g⁴ᐟ³T。
• 在单圈近似下计算了磁场中W玻色子质量算符，支持了有效势方法的一致性。
• 结果与其他方法一致，验证了本研究中使用的方法论框架的可靠性。