[论文解读] Intercommutation of U(1) global cosmic strings

Guy D. Moore|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文研究了U(1)全局宇宙弦的互换动力学，表明长程相互作用会跨尺度重整化碰撞角度与速度，导致微观尺度上近乎反平行、相对论性的碰撞。与以往研究相反，本文证明在O(2)对称的全局弦模型中，此类碰撞始终导致互换，意味着在轴子弦网络的模拟中应假设互换行为。

ABSTRACT

Global strings (those which couple to Goldstone modes) may play a role in cosmology. In particular, if the QCD axion exists, axionic strings may control the efficiency of axionic dark matter abundance. The string network dynamics depend on the string intercommutation efficiency (whether strings re-connect when they cross). We point out that the velocity and angle in a collision between global strings "renormalize" between the network scale and the microscopic scale, and that this plays a significant role in their intercommutation dynamics. We also point out a subtlety in treating intercommutation of very nearly antiparallel strings numerically. We find that the global strings of a O(2)-breaking scalar theory do intercommute for all physically relevant angles and velocities.

研究动机与目标

• 理解全局宇宙弦中的长程弦间作用力如何影响其互换行为。
• 通过分析碰撞参数的尺度依赖演化，解决以往微观模拟与宏观网络动力学之间的矛盾。
• 确定在物理上相关条件下（特别是早期宇宙轴子产生过程中），全局弦是否发生互换。
• 为轴子弦网络的数值模拟提供可靠的互换判据。

提出的方法

• 通过具有O(2)对称性的复标量场建模全局弦，采用混合模拟方法，结合Nambu-Goto弦动力学与格点场论来描述戈尔登堡模式。
• 利用全局弦的对数能量分布，分析跨尺度的弦接近角度与速度的演化。
• 对以相对论速度进行的涡旋-反涡旋碰撞进行2+1D数值模拟，以研究互换结果。
• 通过碰撞参数扫描与时间演化评估互换行为，以检测弦的湮灭或穿透。
• 基于预期相交后t = 100/m_h时刻弦不存在的准则，判断是否发生互换。
• 利用2+1D有效理论模拟在长程力作用下的弦动力学，包括动量传递与辐射能量损失。

实验结果

研究问题

• RQ1 全局宇宙弦中的长程弦间作用力如何跨尺度重整化碰撞角度与相对速度？
• RQ2 全局弦的互换概率是否依赖于微观尺度上的相对速度与角度？
• RQ3 高能、近乎反平行的全局弦碰撞更可能互换还是相互穿过？
• RQ4 能否在宇宙网络模拟中可靠预测O(2)模型全局弦的互换结果？

主要发现

• 全局弦之间的长程相互作用导致微观碰撞参数发生重整化，在核心尺度上产生近乎反平行接近与相对论性速度（v ≈ 0.9）。
• 当相对速度低于v = 0.8时，无论碰撞参数如何，互换均被保证发生，模拟结果在v = 0.80、0.95和0.975时已证实。
• 在v = 0.975时，碰撞参数满足m_h b ∈ [20.5, 56的弦发生湮灭并实现互换，表明存在广阔的互换区域。
• 互换结果由大角度偏转与显著的辐射能量损失驱动，即使在中等碰撞参数下，也会导致紧密束缚与低速碰撞。
• 对于极小的碰撞参数，由于能量损失不足，弦会相互穿过，但这并不影响主导区域中的互换行为。
• 本研究与早期发现（Shellard:1987bv）相矛盾，表明在O(2)模型中，高速、近乎反平行的全局弦碰撞始终发生互换。