[论文解读] Large scale magnetogenesis from a non-equilibrium phase transition in the radiation dominated era

D. Boyanovsky, H. J. de Vega+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2002

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 67被引用 18

一句话总结

该论文提出，在辐射主导时期，通过一个U(1)规范场耦合N个带电标量场的非平衡相变，可以高效地产生大尺度原初磁场。采用包含电浆耗散效应的规范不变形式，研究发现相变后的标度行为可产生足够强的磁场能量密度，以作为星系磁场的种子场，其中在QCD标度处L ∼1 Mpc时，r(L,η) ∼10⁻¹⁴。

ABSTRACT

We study the generation of large scale primordial magnetic fields by a cosmological phase transition during the radiation dominated era. The setting is a theory of N charged scalar fields coupled to an abelian gauge field, that undergoes a phase transition at a critical temperature much larger than the electroweak scale. The dynamics after the transition features two distinct stages: a spinodal regime dominated by linear long-wavelength instabilities, and a scaling stage in which the non-linearities and backreaction of the scalar fields are dominant. This second stage describes the growth of horizon sized domains. We implement a recently introduced formulation to obtain the spectrum of magnetic fields that includes the dissipative effects of the plasma. We find that large scale magnetogenesis is very efficient during the scaling regime. The ratio between the energy density on scales larger than L and that in the background radiation r(L,T) = rho_B(L,T)/rho_{cmb}(T) is r(L,T) \sim 10^{-34} at the Electroweak scale and r(L,T) \sim 10^{-14} at the QCD scale for L \sim 1 Mpc. The resulting spectrum is insensitive to the magnetic diffusion length. We conjecture that a similar mechanism could be operative after the QCD chiral phase transition.

研究动机与目标

• 研究宇宙相变期间在辐射主导时期生成大尺度原初磁场的机制。
• 建模N个带电标量场与阿贝尔规范场（超荷）在非平衡相变下的动力学行为。
• 使用规范不变形式，将耗散性电浆效应（特别是电导率）纳入磁化生成机制。
• 确定在不同动力学阶段（自旋态与标度态）产生的原初磁场的谱分布与能量密度。
• 评估所生成的种子场是否足够强，可被天体物理动力学机制放大至观测到的星系磁场强度。

提出的方法

• 采用基于横向光子传播子精确施温格-戴逊方程的规范不变形式，实现对非平衡动力学与耗散效应的一致处理。
• 将系统划分为硬自由度（处于局部热平衡）与软模（远离平衡），从而系统地处理非微扰动力学。
• 将标量场动力学分为两个阶段：(1) 相变后由长波长不稳定性驱动的自旋态阶段；(2) 由戈尔登玻色子动力学与相序主导的标度态阶段。
• 将标度态中标量场动力学的解作为输入，通过视界尺度与亚视界模的量子圈效应，计算磁场谱分布。
• 计算磁场能量密度谱，考虑电浆电导率与磁场扩散效应，并推导出r(L,η) = ρB(L,η)/ρcmb(η)的简洁公式。
• 评估近似方法的有效性，特别是大N极限与首阶规范耦合展开在非平衡场论背景下的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在辐射主导时期，大尺度原初磁场是否能通过非平衡相变高效生成？
• RQ2 耗散效应（特别是电浆电导率与磁场扩散）如何影响生成磁场的谱分布与振幅？
• RQ3 哪个动力学阶段（自旋态或标度态）主导了大尺度磁场的生成？
• RQ4 在∼1 Mpc尺度上，原初磁场的能量密度是多少？是否足以作为观测星系磁场的种子？
• RQ5 正如模型所建议的，磁场谱是否对辐射时期磁场扩散长度不敏感？

主要发现

• 相变后的标度态是大尺度磁场生成的主要来源，自旋态阶段贡献较小。
• 在L ∼1 Mpc以上尺度，电弱标度处r(L,η) ∼10⁻³⁴，QCD标度处r(L,η) ∼10⁻¹⁴，表明其可作为动力学放大的有效种子场。
• 所生成的磁场谱对磁场扩散长度表现出显著的不敏感性，该长度在辐射时期远小于视界尺度。
• 该形式成功以显式规范不变方式纳入电导率引起的耗散效应，优于以往忽略电浆动力学的处理方法。
• 由于标量场动力学的标度行为，即使在强非线性与反作用效应下，该机制仍保持高效。
• 结果表明，类似机制也可能在QCD手征对称性相变后起作用，可能产生额外的原初磁场种子。