[论文解读] On the Role of Quasiparticles and thermal Masses in Nonequilibrium Processes in a Plasma

Marco Drewes|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2010

High-Energy Particle Collisions Research参考文献 60被引用 29

一句话总结

本文提出了一种非平衡量子场论框架，以调和等离子体中高阶量子过程与有效准粒子描述之间的矛盾。结果表明，通过共振宽度可分辨的多体中间态的非壳上贡献，可被一致地纳入输运理论，揭示即使在中等热宽度下，此类效应也能显著增强弛豫速率，尤其在标量和费米子系统中更为明显。

ABSTRACT

Boltzmann equations and their matrix valued generalisations are commonly used to describe nonequilibrium phenomena in cosmology. On the other hand, it is known that in gauge theories at high temperature processes involving many quanta, which naively are of higher order in the coupling, contribute to the relaxation rate at leading order. How does this accord with the use of single particle distribution functions in the kinetic equations? When can these effects be parametrised in an effective description in terms of quasiparticles? And what is the kinematic role of their thermal masses? We address these questions in the framework of nonequilibrium quantum field theory and develop an intuitive picture in which contributions from higher order processes are parametrised by the widths of resonances in the plasma. In the narrow width limit we recover the quasiparticle picture, with the additional processes giving rise to off-shell parts of quasiparticle propagators that appear to violate energy conservation. In this regime we give analytic expressions for the scalar and fermion nonequilibrium propagators in a medium. We compare the efficiency of decays and scatterings involving real quasiparticles, computed from analytic expressions for the relaxation rates via trilinear scalar and Yukawa interactions for all modes, to off-shell contributions and find that the latter can be significant even for moderate widths. Our results apply to various processes including thermal production of particles from a plasma, dissipation of fields in a medium and particle propagation in dense matter. We discuss cosmological implications, in particular for the maximal temperature achieved during reheating by perturbative inflaton decay.

研究动机与目标

• 解决在高温规范理论中，使用单粒子分布函数的输运方程与多体过程的主导一阶贡献之间的明显矛盾。
• 阐明在非平衡量子场论中，热质量与宽度在有效准粒子描述中的物理作用。
• 建立准粒子近似保持有效且非壳上效应变得显著的条件。
• 为介质中的标量与费米子传播子提供包含非壳上贡献的解析表达式。
• 将该形式化应用于宇宙学再热过程，特别是暴胀子衰变产物的热化及达到的最大温度。

提出的方法

• 使用以关联函数为动力变量而非单粒子相空间分布的非平衡量子场论。
• 通过精确谱函数和自能重求和，分析三线性标量、Yukawa和四线性相互作用的弛豫过程。
• 推导出在热浴中标量与费米子的非平衡传播子的解析表达式，包括非壳上贡献。
• 在窄宽度极限下恢复准粒子图像，其中热宽度通过复极点修改能量守恒。
• 利用谱密度的解析形式计算弛豫速率，并比较壳上与非壳上贡献。
• 将结果整合进宇宙学模型，特别是在暴胀后的再热过程中，使用有效热质量和自能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有限温度的规范理论中，尽管高阶过程在直观上被抑制，为何它们仍能在一阶贡献中显著影响弛豫速率？
• RQ2 在何种参数范围内，多体中间态可被具有热质量和宽度的准粒子有效描述？
• RQ3 热质量在介质中弛豫与能量传递过程中的运动学与动力学角色是什么？
• RQ4 在弛豫速率中，虚粒子的非壳上贡献在多大程度上主导于壳上过程？
• RQ5 这些效应如何影响暴胀宇宙学中再热期间达到的最大温度？

主要发现

• 源于虚中间态的非壳上贡献对弛豫速率的影响，即使在中等热宽度下，也可与壳上过程相媲美。
• 谱密度的解析结构表明，高阶过程编码于准粒子传播子的复极点中，宽度参数化了这些贡献的强度。
• 在窄宽度极限下，该形式化恢复标准准粒子图像，但能量守恒因复自能而被修改。
• 对于标量场，通过三线性相互作用的弛豫速率包含非壳上贡献，其不可忽略，且依赖于热宽度与动量转移。
• 通过Yukawa耦合的费米子弛豫表现出类似的非壳上过程增强效应，已推导出谱密度与自能的解析表达式。
• 在宇宙学再热中，包含非壳上效应可导致更高的有效弛豫速率，从而可能提高暴胀子衰变期间达到的最大温度。