Campos Magnéticos Primordiales. Índice - Introducción - Mecanismos de generación y amplificación - Observaciones de campos magnéticos en el universo -

Campos MagnéticosPrimordiales

Índice • - Introducción• - Mecanismos de generación y amplificación• - Observaciones de campos magnéticos en el

universo• - Cotas observacionales a los campos magnéticos

cosmológicos• - Generación de campos magnéticos primordiales• - Aplicaciones en el universo temprano

Introducción

• Se han observado campos magnéticos galácticos y extragalácticos

• No hay detecciones de campos magnéticos puramente cósmicos

(que no estén asociados a estructuras ligadas gravitacionalmente o en colapso gravitacional)

Introducción

La generación de los campos magnéticos observados en el Universo requiere de dos ingredientes:

- la generación de las semillas:

astrofísica (protogaláctica) o primordial

- un mecanismo de amplificación de su amplitud (campos observados) y su escala (campos primordiales)

Mecanismos de generación y amplificación

Los mecanismos astrofísicos explotan la diferencia de movilidad entre electrones y iones, para la separación de cargas

y efectos de dinámica de gases para generar vorticidad: situaciones en que los gradientes de velocidad y de presión no son colineales.


Los mecanismos de sostenimiento de los campos y amplificación de la intensidad:

- colapso gravitacional

- efecto dinamo: nuevos campos son regenerados continuamente por la acción combinada de la rotación diferencial y la turbulencia helicoidal

Widrow (2004)


Mecanismos de amplificación de escala:

- Turbulencia MHD: fluido conductor desarrolla turbulencia magnética equipartición de la energía cinética del flujo turbulento a energía magnética (si dispone de suficiente tiempo), a escalas de los vórtices

- Reconexión de las líneas magnéticas


- Cascada inversa: las estructuras magnéticas coalescen y emergen gradualmente estructuras de mayor escala (en simulaciones MHD: términos no lineales que generan interacciones entre modos).

Requiere introducir una sustancial helicidad magnética, para lo cual no tenemos un mecanismo convincente

Observaciones de campos magnéticos en el universo

Observación por emisión sincrotrónica, rotación de Faraday, efecto Zeeman

- galaxias espirales: campos magnéticos de hasta , con longitudes de coherencia de la dimensión del disco visible y configuraciones de menor escala, con simetrías tanto respecto al eje de rotación, como al plano ecuatorial

G10


• Campos de algunos son comunes en las galaxias elípticas, pero con orientaciones al azar y típicamente restringidos a una escala mucho más pequeña que la galáctica; también se han observado en galaxias irregulares

G


• Campos de también han sido observados en el medio intracúmulo en algunos cúmulos ricos, con escalas del orden de las galaxias del cúmulo

• Hay evidencias de campos magnéticos en galaxias espirales de alto corrimiento al rojo ( ) y en radio galaxias a . También parecen manifestarse en sistemas Lyman , de corrimientos cosmológicos.

4.0z2z

G

Cotas observacionales a los campos magnéticos cosmológicos

• Radiación cósmica de fondo:

- Campos magnéticos presentes en el desacoplamiento y homogéneos a escalas del horizonte a ese tiempo originarían una diferente tasa de expansión en diferentes direcciones


Se estimó: , escalado a hoy en día, usando los resultados de COBE y suponiendo que toda la anisotropía observada es debida a efectos magnéticos

Para campos de menores escalas, se encuentran cotas menos severas ( )

(límite de escalas: amortiguamiento de Silk)

GB 9105

G810


• Distorsiones de los picos Doppler podrían ser observables por campos inhomogéneos, pues las ondas magnetosónicas afectan velocidades de bariones y fotones

• Mediciones de (des)polarización pueden aportar mayor información Planck


• Nucleosíntesis:

- las reacciones nucleares cambian en presencia de campos magnéticos (aumenta la tasa de decaimiento de los neutrones, decrece su número y por lo tanto la cantidad de ) He4


- La densidad en energía magnética aumenta la tasa de expansión (disminuye el tiempo del proceso y por lo tanto el tiempo disponible para el decaimiento de los neutrones, aumenta el )

Haciendo el balance se obtiene , hoy en día.

He4

GB 610

Generación de campos magnéticos primordiales

Inflación:- fluctuaciones cuánticas excitan los modos de todos

los campos ligeros a escalas - La expansión inflacionaria estira estas longitudes

de onda a escalas ; fuera del horizonte, las fluctuaciones se

“congelan” (expansión super adiabática)- Durante la inflación el universo no es buen

conductor el flujo magnético no se conserva

1H

1H


El problema es la preservación: después del recalentamiento, el universo es un buen conductor y el flujo magnético se conserva:

Puesto que los campos magnéticos están conformemente acoplados a la gravedad:

cteBa 2

4aB


Mecanismos de rompimiento de invariancia conforme:

Masa y acoplamientos:

- con la curvatura (en las combinaciones invariantes) ;

pero esto le da masa al fotón;

;

ARA

AAR

FRF

FFR

m21


• Con inflatón o dilatón ;

• Campo escalar cargado

• Anomalía QED (diagrama de triángulo con loop de electrón), pero efecto muy pequeño

• Condensado de campo escalar ligero

FFe

FFe tS /)(

AAe 22


Transiciones de fase cosmológicas (EW,QCD)

Reúnen las condiciones para producir las semillas de los campos y generar turbulencia

Una transición de fase típicamente implica cambios fundamentales en la naturaleza de partículas y campos y la liberación de energía libre en periodos cortos de tiempo


Semillas:

- fluctuaciones térmicas,

- separaciones locales de cargas y generación de vorticidad corrientes locales,

- gradientes del parámetro de orden, que actúan como fuente para campos de norma


Transiciones de fase de primer orden:

nucleación, expansión y eventual percolación de burbujas de la nueva fase en el sustrato de la vieja fase

Generación de campos magnéticosprimordiales

Separaciones de carga: - gradientes de número bariónico en las fronteras de las

fases; - el valor de expectación del Higgs y por lo tanto las

masas de las partículas van variando a lo largo de la pared de la burbuja. Al adquirir masa, las partículas se topan con una barrera de potencial.

- Frentes de choque que acompañan la expansión de las burbujas, con fuertes gradientes de presión, afectan de manera diferente los bariones que los leptones;

Fuente de campos de norma:

La fase del parámetro de orden (campo Higgs en EWPT) no está correlacionada entre las diferentes burbujas;

a través del término , funge

como un término de fuente.

*La fase no es una cantidad invariante de norma, pero se puede definir una diferencia de fases que lo sea.


ie

DD


Aún en transiciones de fase de segundo orden, se puede obtener un término de fuente, puesto que varía a escalas de su longitud de correlación

Amplificación:

En choques de las paredes de diferentes burbujas, y en menor medida, en los frentes de choque, se desarrollan condiciones de turbulencia

La escala de la región de coherencia del campo puede llegar al tamaño de la burbuja ( ; con )


HB fLL 210f


• Amplificación a escalas mayores:

Reconexión de las líneas; cascada inversa

Aplicaciones en el universo temprano

• Los campos magnéticos pueden tener influencia en diferentes aspectos del Universo temprano, en particular en las transiciones de fase y en el proceso de bariogénesis


Se ha estimado que la transición de fase electrodébil es de primer orden, aunque no lo suficiente como para cumplir las condiciones necesarias para que la eventual asimetría bariónica generada a través de los procesos esfalerónicos se conserve.

Un campo (hiper)magnético vuelve la transición más fuertemente de primer orden

Potencial efectivo en la EWPT, sin campo (línea roja) y con dos valores para el campo, dentro del límite de campo débil A. Sánchez, A Ayala y G.P., Phys. Rev D 75 (2007).

))(( 22 TTmeB


Por otro lado, el distinto acoplamiento de los modos fermiónicos izquierdos y derechos antes de la TF (a través de dos valores distintos de la hipercarga) permite generar una asimetría axial entre las dos fases, que se traducirá en una violación de CP en el sector de verdadero vacío


Inflación:

Si los campos magnéticos son generados en la transición de fase inflacionaria, ¿cuál es el efecto que tienen sobre de ésta y el espectro de fluctuaciones?

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