[论文解读] Fast vacuum decay into particle pairs in strong electric and magnetic fields

Yoshimasa Hidaka, Takumi Iritani+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 3

一句话总结

该论文表明，在强电场和磁场中，由于最低 Landau 亚层（LLL）的主导作用，无质量费米子的真空衰变率会发散，导致立即产生费米子对。通过使用 LLL 投影的有效场论，作者推导出一个可解的 1+1 维 Schwinger 模型，显示出有限的费米子对产生率以及通过轴规范异常产生的动力学光子质量，且在 LLL 主导的区域中不发生热化。

ABSTRACT

We discuss fermion pair productions in strong electric and magnetic fields. We point out that, in the case of massless fermions, the vacuum persistency probability per unit time and volume is zero in the strong electric and magnetic fields, while it is finite when the magnetic field is absent. The contribution from the lowest Landau level (LLL) dominates this phenomenon. We also discuss dynamics of the vacuum decay, using an effective theory of the LLL projection, taking into account the back reaction.

研究动机与目标

• 研究共存强电场和磁场中真空衰变为费米子对的过程。
• 解决在电场和磁场共存时，特别是对无质量费米子，真空衰变率发散的问题。
• 基于 LLL 投影发展一种有效场论，以描述强场中真空衰变的动力学与反作用。
• 阐明最低 Landau 亚层在驱动不稳定性与无限对产生率中的作用。
• 探讨该过程对重离子碰撞中夸克-胶子等离子体形成的影响，特别是 Glasma 阶段的含义。

提出的方法

• 作者使用协变常数的电场和磁场来模拟 QED 和 QCD 中的强场条件。
• 通过 LLL 投影将 3+1 维动力学简化为 1+1 维有效理论，聚焦于最低 Landau 亚层的主导贡献。
• 有效作用量被表示为规范场的二次型，通过轴规范异常产生动力学光子质量。
• 将 Schwinger 机制推广至非阿贝尔场，费米子行列式在强磁场下映射为 Wess-Zumino-Witten 作用量。
• 解析求解规范场的运动方程，得到振荡的电场和时变的对产生率。
• 通过有效作用量引入反作用，并计算轴向电流以确认异常匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在电场和磁场共存且费米子无质量时，真空衰变率会发散？
• RQ2 在强磁场中，真空衰变的主要贡献来自何处？最低 Landau 亚层如何影响这一过程？
• RQ3 如何通过一个 1+1 维有效理论来描述强场中完整的 3+1 维真空衰变过程？
• RQ4 在 LLL 主导的区域中，动力学光子质量与轴规范异常具有何种物理意义？
• RQ5 LLL 主导的真空衰变过程是否会导致热化或混沌动力学？

主要发现

• 对于共存强 E 场和 B 场中的无质量费米子，单位时间单位体积的真空持久性概率为零，表明衰变立即且完全发生。
• 在无质量极限下，对产生率 w 的发散源于磁场存在时最低 Landau 亚层（LLL）的无限贡献。
• 通过 LLL 投影导出的有效理论将系统简化为一个可解的 1+1 维 Schwinger 模型，其动力学光子质量为 mγ² = e³B/(2π²)。
• 有效理论中保持了轴规范异常，满足 ∂μj₅μ = (e²B/2π²)E，确认了在降维后仍满足异常匹配。
• 产生对的数密度与轴向电流成正比，对于空间均匀场，其随时间线性增长，与数值结果一致。
• 在 LLL 主导的过程中不发生热化，因为有效理论是精确可解的，且不具有混沌行为。