2016 Fiscal Year Annual Research Report
インフレーション宇宙における原始磁場形成理論の構築とその観測的帰結
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15J09390
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
林中 貴宏 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 初期宇宙論 / 原始磁場形成 / 場の理論 / 量子電磁力学 / インフレーション / de Sitter時空 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度の研究によって、de Sitter時空中でのSchwinger効果が誘起する電流の振る舞いが、電荷の持つスピンや電荷の質量によって異なることを見出した。特に、外部電場強度が、ある特定の値より小さい場合、スピン1/2の粒子が作る誘起電流が負になる（電気伝導率の値が負になる）という結果を得ていた。本年度は、上記結果の物理的解釈を与えることを当面の目標に研究を行った。具体的には、以下の点について検討してきたので、それぞれの内容を簡単にまとめる。
（１）物性系との関わり
当該研究において示唆される負の電気伝導（微分電気伝導度ではなく電気伝導率自体が負の値をとる）は、現実の特別な強誘電体の内部で実現することが、物性物理学の分野で知られている。強誘電体は自発的に対称性が破れ、分極が起こるような物質である。本研究で取り扱っているような重力場と電場から作用を受ける荷電粒子対も、分極が自発的に大きくなっていくような系であり、強誘電体との類似性が見受けられる。一方、物性物理学の分野で知られる負の電気伝導度は静的な問題であり、膨張宇宙のような動的な問題とは異なっている。
（２）一般の背景場における有効作用の振る舞い
自発的対称性の破れを記述するための基本的な道具立ての一つに、場の有効作用を調べることが挙げられる。有効作用は量子論的な効果まで取り入れた際の系のダイナミクスを記述するのに用いられる。特に、一般の（弱い）電磁場中での有効作用を計算することで、荷電粒子の場の運動を決めるポテンシャルが電磁場によってどのように変形するかが分かる。これによって、負の電気伝導の物理的解釈を与えることも可能となる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初計画では、初期宇宙におけるインフレーション原始磁場形成理論において問題となる、非常に強い電場が、自ら作り出す荷電粒子対の効果によって弱まるというシナリオについて考察することを目的としていた。
しかし、これまでの研究により発見した負の誘起電流は、インフレーション宇宙における電磁場の不安定性を示唆するものであり、これまで全く予測されてこなかったものである。現象自体の興味深さにとどまらず、この不安定性を利用した原始磁場生成の可能性を探ることは、本研究課題の目的にとっても重要なことであるのでこれを行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までに、曲がった時空の場の理論において有効作用を求めるのに必要な式（非摂動的繰り込み群方程式）を導いた。これは、物性物理学の分野で知られていた方法を応用して得たものである。
今後は、これを用いて有効作用の解析を行い、負の電気伝導ないしは電磁場の不安定性についての研究を行う。
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