Проблема космологических фазовых переходов в свете лабораторных исследований динамики неравновесных Бозе-конденсатов Ю. В. Д у м и н Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук г.Троицк Московской обл. "Физика фундаментальных взаимодействий" Москва, ИТЭФ ноября

Введение: Образование топологических дефектов при сильно-неравновесных фазовых переходах При резком уменьшении температуры ненулевые значения параметра порядка в удаленных областях пространства устанавливаются независимо друг от друга. В результате, на границах между ними могут возникнуть конфигурации с нетривиальными топологическими инвариантами. При последующей релаксации они трансформируются в стабильные топологические дефекты. 2 В зависимости от исходной группы симметрии параметра порядка это могут быть, в частности, доменные стенки, вихри (струны), монополи и т.п. N.N. Bogoliubov. Suppl. Nuovo Cimento (Ser. prima), v.4, p.346 (1966) T.W.B. Kibble. Journal of Physics A, v.9, p.1387 (1976) W.H. Zurek. Nature, v.317, p.505 (1985)

Введение: Космологические фазовые переходы полей Хиггса... типичны для многих моделей элементарных частиц (электрослабая теория, GUT и т.п.); широко обсуждались в 1980х годах в контексте ранних версий инфляционных моделей; сталкиваются с проблемой избыточной концентрации топологических дефектов, противоречащей наблюдательным ограничениям; удовлетворительное решение проблемы избыточной концентрации дефектов до сих пор отсутствует; лабораторные исследования неравновесных Бозе-конденсатов в периодических потенциалах могут полить свет на решение этой проблемы. 3 Согласно общепринятой теории Киббла-Цурека вероятность образования дефектов фазы на гра- нице между доменами является универсальной величиной порядка единицы (зависящей лишь от группы симметрии). В результате получается: где d = 1, 2 и 3 для доменных стенок, космичес- ких струн и монополей, соответственно. Этот нижний предел противоречит верхнему пре- делу, выводимому из наблюдательных данных.,

Исследование скачков фазы Бозе-конденсата в экспериментах с периодическими сверхпроводящими структурами [R. Carmi, E. Polturak, G. Koren. Phys. Rev. Lett., v.84, p.4966 (2000)] 4 Хотя в процессе охлаждения Бозе-конденсаты формируются независимо, в изо- лированных сегментах сверхпроводящего кольца, их фазы оказываются скорре- лированными по закону Больцмана, т.е. система помнит свое исходное тепловое состояние. Таким образом, стандартный механизм Киббла-Цурека должен быть модифициро- ван путем учете остаточных тепловых корреляций.

Исследование скачков фазы Бозе-конденсата в экспериментах с ультрахолодными газами в периодических потенциалах [Z. Hadzibabic, et al. Nature, v.441, p.1118 (2006)] optical lattice lattice beams camera imaging beam fraction of images with dislocations average central contrast, c 0 T 5 Как и в эксперименте со сверхпроводящим кольцом, вероятность образования де- фектов фазы существенно подавляется с уменьшением температуры

Простейшая модель образования дефектов Лагранжиан: Стабильные вакуумные состояния: структура переходной области (доменной стенки): энергия, сконцентрированная в элементарном дефекте (доменной стенке): Предположение: Картина доменов, образующихся после фазового пере- хода, может быть аппроксимирована регулярной квадратной решеткой. Концентрация нескоррелирован- ных дефектов: Концентрация дефектов, испытывающих тепловые корреляции (формально сводится к модели Изинга): и т.д. D = 1D = 1 D = 2D = 2 6 [Yu.V. Dumin. New Journal of Physics, v.11, p (2009)].

Выводы: Включение тепловых корреляций (выявленных в лабораторных экспериментах) в рассмотрение космологических фазовых переходов позволяет улучшить оценки концентрации топологических дефектов (таких как доменные стенки, космические струны и монополи) и, тем самым, достичь разумного согласия с наблюдательными ограничениями. Как и ожидалось, количество дефектов уменьшается с ростом отношения энергии дефекта E к температуре фазового перехода T. Эффект подавления оказывается не слишком большим в одномерном пространстве, однако значительно усиливается в пространствах более высокой размерности (D > 1). Дальнейшее уточнение оценок требует рассмотрения доменов нерегулярной формы доменов и более сложных групп симметрии параметра порядка. 7