[论文解读] Influence of the hypermagnetic field noise on the baryon asymmetry generation in the symmetric phase of the early universe

Maxim Dvornikov, V. B. Semikoz|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 21被引用 4

一句话总结

本文研究了在电弱相变之前，早期宇宙对称相中由随机超电磁场（HMFs）驱动的湍流如何抑制重子与轻子不对称性。通过简化标准模型第一代的模型，表明由洛伦兹力主导的纳维-斯托克斯动力学所控制的HMF诱导流体湍流，增强了能量与螺旋度谱，从而显著降低了费米子不对称性，包括宇宙重子不对称性（BAU），尤其在初始HMF强度较强时更为显著。

ABSTRACT

We study a matter turbulence caused by strong random hypermagnetic fields (HMFs ) that influence the baryon asymmetry evolution due to the Abelian anomalies in the symmetric phase in the early Universe. Such a matter turbulence is stipulated by the presence of the advection term in the induction equation for which a fluid velocity is dominated by the Lorentz force in the Navier-Stokes equation. For random HMFs, having nonzero mean squared strengths, we calculate the spectra for the HMF energy and the HMF helicity densities. The latter function governs the evolution of the fermion asymmetries in the symmetric phase before the electroweak phase transition (EWPT). In the simplest model based on the first SM generation for the lepton asymmetries of $e_\mathrm{R,L}$ and $ u_{e_\mathrm{L}}$, we calculate a decline of all fermion asymmetries including the baryon asymmetry, given by the `t Hooft conservation law, when one accounts for a turbulence of HMFs during the universe cooling down to EWPT. We obtain that the stronger the mean squared strength of random initial HMFs is, the deeper the fermion asymmetries decrease, compared to the case in the absence of any turbulence.

研究动机与目标

• 研究强随机超电磁场（HMFs）诱导的物质湍流对早期宇宙中重子与轻子不对称性演化的影响。
• 考察由HMF洛伦兹力驱动的湍流流体运动如何影响HMF能量与螺旋度谱的演化。
• 评估在随机HMF存在下，湍流输运对费米子不对称性（包括重子不对称性）的抑制作用。
• 量化HMF螺旋度与湍流在修改费米子不对称性‘t Hooft异常守恒演化”中的作用，发生在电弱相变之前。
• 比较存在与不存在湍流噪声时的不对称性演化，尤其针对不同初始HMF强度与螺旋度参数。

提出的方法

• 通过洛伦兹力主导的纳维-斯托克斯解建模流体速度：v = τd(∇×BY)×BY/(p+ρ)，其中τd为阻尼时间，p=ρ/3表示相对论性等离子体。
• 利用速度模型显式表达包含输运项∇×(v×BY的感应（法拉第）方程，以HMF表示。
• 在平均值为零但均方强度非零的随机HMF下，计算HMF能量密度（EBY）与螺旋度密度（HBY）的谱。
• 将湍流贡献纳入有效电导率（ηeff）与手征异常系数（αY），以控制费米子不对称性演化。
• 求解右旋电子（eR）、左旋电子（eL）与左旋中微子（νeL）不对称性的动力学方程，包含与B⁴Y成比例的噪声项。
• 进行数值模拟，初始HMF强度分别为B(0)Y = 7×10²⁵ G与7×10²⁶ G，螺旋度参数分别为q=1（完全螺旋）与q=0.1（部分螺旋）。

实验结果

研究问题

• RQ1 HMF诱导的湍流如何影响早期宇宙对称相中HMF能量与螺旋度谱的演化？
• RQ2 由随机HMF产生的洛伦兹力驱动的湍流输运，在多大程度上抑制了费米子不对称性（包括宇宙重子不对称性BAU）？
• RQ3 初始HMF强度与螺旋度参数（q）如何影响由湍流引起的不对称性洗刷程度？
• RQ4 在无湍流情况下，噪声项∼B⁴Y对有效电导率与手征异常系数的定量影响为何？
• RQ5 在湍流条件下，完全螺旋（q=1）与部分螺旋（q=0.1）HMF构型的结果有何不同？

主要发现

• 由强随机HMF通过洛伦兹力驱动的湍流流体运动，显著增强了有效耗散，并改变了HMF能量与螺旋度谱的演化。
• 物质湍流的存在导致费米子不对称性（包括重子不对称性）的显著抑制，相较于无噪声情况，初始HMF越强，洗刷越深。
• 对于初始HMF强度为B(0)Y = 7×10²⁶ G（≈B(0)Y = 1.4×10⁻¹）的情况，重子不对称性相比无噪声情形最多被抑制达10倍，尤其在完全螺旋情况下（q=1）。
• 对更高初始HMF能量与螺旋度，抑制效应更显著，噪声项∼B⁴Y主导了有效系数α±与ηeff的演化。
• 数值结果显示，在小演化时间（TRL−T < 10 GeV）时，完全螺旋HMF情形（q=1）的不对称性抑制最为显著，BAU在湍流情形中降至∼10⁻¹⁴，而在无噪声情形中为∼10⁻¹²。
• 该模型表明，强HMF引发的湍流可能成为主导的洗刷机制，可能限制HMF驱动重子生成的可行性，除非初始不对称性足够大。