[论文解读] Schwinger effect, backreaction and magnetogenesis in de Sitter spacetime

Clément Stahl, She-Sheng Xue|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用 3

一句话总结

本文研究了德西特时空中的施温格对产生，分析了费米子对如何通过爱因斯坦-麦克斯韦方程对电磁场产生后反应。研究发现，费米子对会抑制或保持电场不变，从而阻止磁ogenesis（磁化生成）的发生，但报告称轻玻色子可能存在增强效应，提示了一条新的原初磁化生成途径。

ABSTRACT

We consider the particle-antiparticle pairs produced by both a strong electric field and de Sitter curvature. We investigate in 1+1 D the backreaction of the pairs on the electromagnetic field. To do so we describe the canonical quantization of an electromagnetic field in de Sitter space and add in the Einstein-Maxwell equation the fermionic current induced by the pairs. After solving this equation, we find that the electric field gets either damped or unaffected depending on the value of the pair mass and the gauge coupling. No enhancement of the electromagnetic field to support a magnetogenesis scenario is found. The physical picture is that the Schwinger pairs locally created screen the production and amplification of the electromagnetic field. However, if one considers light bosons created by the Schwinger mechanism, we report a solution to the Einstein-Maxwell equation with an enhancement of the electromagnetic field. This solution could be a new path to primordial magnetogenesis.

研究动机与目标

• 研究1+1维中施温格对产生与德西特曲率之间的相互作用。
• 分析在弯曲时空下产生的费米子对对电磁场的后反应。
• 确定后反应是否会导致适合磁化生成的电磁场放大。
• 探索轻玻色子而非费米子是否能支持一种可行的原初磁场生成机制。

提出的方法

• 在德西特时空下对电磁场执行正则量子化。
• 计算在强电场存在下由施温格对诱导的费米子电流。
• 将诱导电流纳入爱因斯坦-麦克斯韦方程以模拟后反应效应。
• 在1+1维中解析或数值求解修改后的爱因斯坦-麦克斯韦方程。
• 比较不同费米子质量与规范耦合下电场的演化。
• 将分析扩展至轻玻色子，以评估其对场增强的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 施温格产生的费米子对在德西特时空中是否会使电磁场放大？
• RQ2 费米子对的质量如何影响其对电场的后反应？
• RQ3 诱导的费米子电流是否会导致持续或增强的电磁场，从而支持磁化生成情景？
• RQ4 规范耦合在决定后反应强度和符号方面起什么作用？
• RQ5 通过施温格机制产生的轻玻色子是否表现出不同的后反应行为，从而可能实现电磁场增长？

主要发现

• 费米子对的后反应会抑制或保持电场不变，具体取决于对的质量和规范耦合。
• 对于费米子，未观察到电磁场的增强，因此该机制被排除在磁化生成之外。
• 由对产生引起的局部屏蔽效应会阻止场的放大，并限制电场的增长。
• 对于轻玻色子，找到了爱因斯坦-麦克斯韦方程的一个解，其表现出电磁场增强。
• 这种增强表明，通过玻色子施温格对可能实现原初磁化生成的新途径。
• 结果表明，在德西特时空中，费米子与玻色子的后反应行为存在根本性差异。