Nonlinear interactions of waves and particles in field theories with applications in astrophysics and cosmology  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
101709
Type K
Principal investigator Forgács, Péter
Title in Hungarian Hullámok és részecskék nemlineáris kölcsönhatásai térelméletekben, és ezek fizikai következményei az asztrofizikában és a kozmológiában
Title in English Nonlinear interactions of waves and particles in field theories with applications in astrophysics and cosmology
Keywords in Hungarian térelmélet, sugárzási visszahatás, kozmológia, vortexek
Keywords in English Field theory, radiation reaction, cosmology,vortices
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Physics
Panel Physics 1
Department or equivalent Theoretical Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants Fodor, Gyula
Herpay, Tamás Zsombor
Horváth, Zalán
Kovács, Péter
Lukács, Árpád László
Starting date 2012-01-01
Closing date 2016-12-31
Funding (in million HUF) 26.290
FTE (full time equivalent) 19.37
state closed project
Summary in Hungarian
Töltött pontrészecskék sugárzási visszahatásának néhány elméleti kérdését (renormálás és renormálási sémafüggés) vizsgáljuk 0,1,2 spinű sugárzás esetén görbült téridőben. A sugárzási visszahatás néhány megfigyelhető következményét határozzuk meg erős külső mezők jelenlétében klasszikus és kvantumtérelméletekben. Eredményeink fontos asztrofizikai alkalmazása a magnetárok elektromágneses terében gyorsuló nagyenergiás protonok pionsugárzása ill. pionok neutrínósugárzása a téridő görbületi effektusainak figyelembevételével.
Eredményeinket majd az IceCube neutrinóteleszkóp adataival kívánjuk összevetni, amely mind a magnetárok fizikájához mind a nagyenergiájú neutrínók eredetének problémájához hasznos lesz. Tervezzük még a sugárzási visszahatás vezető kvantumkorrekciójának meghatározását és annak kísérlettel történő összevetését pl. az Extreme Light Infrastructure-ben.

Tervezett kutatásaink másik fő témája tömeges skalármezőket tartalmazó térelméleti modellekben megfigyelt lokalizált anyagcsomók (oszcillonok) vizsgálata. Az előzőekben kifejlesztett aszimptotikus módszereinkkel kívánjuk tanulmányozni az oszcillonok szerepét és fizikai hatásaikat az elektrogyenge kölcsönhatások Standard Modelljében. A tisztán gravitációs sugárzásból álló geonok élettartamát és stabilitását is vizsgálni fogjuk, különös tekintettel lehetséges szerepükre mint a hideg sötét anyag komponense. Vizsgáljuk majd az oszcillonok és geonok keletkezési rátáját, energiájukat és élettartamukat a kozmikus inflációt követő ú.n. reheating periódusban, amikor az inflaton mezőből, a kozmológiai perturbációk felerősödésével lokalizált csomósodások alakulhatnak ki. Ezen objektumokat használva az univerzum anyagának jelentős részét kitevő sötét anyagra alkotunk modelleket mind a galaxisok magjára mind a halojukra. Meg kívánjuk vizsgálni, hogy a táguló kozmológiai háttér hatására hogyan változik a tömegük, frekvenciájuk és a sugárzási rátájuk.

Vizsgálni fogjuk még, hogy kondenzált anyagokban lévő örvényekre ill. relativisztikus mezőelméletek kozmikus húrjaira a beeső sugárzás mikor fejthet ki negatív sugárzási nyomást.
Summary
We plan to clarify some theoretical issues of the radiation back reaction (renormalization and scheme dependence) on point sources in a general setting (for spin 0,1,2 fields in curved space-times), and to compute its observable effects in intense external fields both in classical and in quantum field theories. The scope of application of our results includes astrophysical processes, such as pion and subsequent neutrino radiation of high-energy protons accelerated by the electromagnetic fields of magnetars, taking into account the important effect of curved space-time geometry near such objects.
Comparison of our results with the experimental data, available in the near future from the IceCube neutrino telescope, will be useful for the physics of magnetars and on the origin of high energy neutrinos. We also plan to compute leading order quantum corrections to the leading classical back reaction and to devise experimental situations to test the predictions in ultra intense laser facilities such as the Extreme Light Infrastructure.

We plan to extend our previous investigations on localized oscillating lumps (oscillons) found in many field theories containing massive scalar fields. We plan to investigate oscillons in the Standard Model of electroweak interactions using asymptotic methods and their possible observability and influence. We shall also investigate the lifetime and stability of geons (self-trapped gravitational waves) together with applications for cold dark matter. We want to compute the production rate, energy and lifetime of oscillons and geons in various models of inflationary Cosmology and use them as ingredients, we will develop models of dark matter for galactic nuclei and for galactic halos. We want to investigate how the expansion of the Universe influences their mass, frequency and stability.

We also plan to investigate if the radiation pressure from an incident wave can become negative on vortices in condensed matter systems and cosmic strings in relativistic field theories.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Megmutattuk, hogy amennyiben két szórási csatorna diszperziós relációja különböző, akkor a beeső sugárzás haladási irányával ellentétes irányú erő, negatív sugárzási nyomás, számos fizikai rendszerben föllép. A klasszikus elektrodinamikai sugárzási visszahatás esetén gömbszimmetrikus töltéseloszlást föltételezve, meghatároztuk a véges méret korrekciókat, s kidolgoztunk egy általános renormálási eljárást, mellyel a mozgásegyenlet sémafüggése kezelhetővé válik. Skalármezők által létrehozott, térben lokalizált, időperiódikus állapotokat (oszcillatonokat) tanulmányoztunk, rögzített anti-de Sitter (AdS) metrika esetén, valamint Einstein gravitációelméletében aszimptotikusan AdS metrikájú téridőkben. Az oszcillatonok az amplitúdójukkal paraméterezhetőek, frekvenciájuk az amplitúdónak függvénye. Egy kritikus frekvenciáig az oszcillatonok stabilak. Legutóbbi munkánkban az Einstein egyenletek tisztán gravitációs sugárzásból álló geon megoldásait állítottuk elő AdS téridőkben, perturbatív és numerikus módszerrel. Megmutattuk, hogy kétkomponensű rendparaméterrel rendelkező Ginzburg-Landau elméletekben, az Abrikosov-vortexek instabillá válnak a 2-ik rendparaméter kondenzálódására. Megmutattuk, hogy a kondenzátumos vortexek már stabilak, továbbá azt, hogy a vortexek közötti kölcsönhatás a távolságnak nem monoton függvénye. Vizsgáltuk még a Skyrme-modell egy újabb változatának néhány tulajdonságát, valamint kompakt kettősök gravitációs sugárzásának hullámformáit.
Results in English
We have shown that when the dispersion relations for 2 scattering channels are different, an incident plane wave can exert a pulling force, negative radiation pressure, on the scattering center in a number of physical systems. We have worked out a renormalization proceedure for handling the scheme dependence of the equations of motion taking radiation reaction into account in classical electrodynamics. Assuming spherically symmetric charge distribution we have computed finite size correction to the radiation reaction. We studied spatially localized, time-periodic solutions (oscillatons) of Einstein’s gravity with a negative cosmological constant (asymptotically anti-de Sitter) coupled to a real scalar field. Oscillatons can be parametrized by their amplitude, their frequency is a function of the amplitude. Up to a critical frequency oscillatons are stable. Most recently we found localized gravitational wave (geon) solutions of Einstein’s equations by a combination of perturbative and numerical methods. We have shown that in Landau-Ginzburg theories with two order parameters the Abrikosov vortices become unstable against condensation of the 2nd order parameter. The condensate-core vortices are stable, moreover the interaction between them is a non-monotonous function the distance. We have also studied a new version of the Skyrme model and the gravitational wave-forms emitted by compact binaries
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=101709
Decision
Yes





 

List of publications

  
P. Forgács, T. Herpay, P. Kovács: Comment on `Finite Size Corrections to the Radiation Reaction Force in Classical Electrodynamics', Phys. Rev. Lett. 109, 029501, 2012
B. Mikóczi, B. Kocsis, P. Forgács, M. Vasúth: Parameter estimation for inspiraling eccentric compact binaries including pericenter precession, Phys.Rev. D86 104027, 2012
P. Forgács, Á. Lukács, T. Romanczukiewicz: Plane waves as tractor beams, Phys. Rev. D88 125007, 2013
G. Fodor, P. Forgács, Ph. Grandclément: Scalar field breathers on anti-de Sitter background, e-Print: arXiv:1312.7562, 2013
P. Kovács, Á. Lukács, J. Várócyz, Gz. Wolf, M. Zétényi: Baryon octet and decouplet phenomenology in a threee flavour extended linear sigma model, arXiv:1311.5991, 2013
G. Fodor, P. Forgács, Ph. Grandclément: Scalar field breathers on anti-de Sitter background, Phys.Rev. D89 065027, 2014
P. Kovács, Á. Lukács, J. Váróczy, Gy. Wolf, M. Zétényi: Baryon octet and decouplet phenomenology in a threee flavour extended linear sigma model, Phys.Rev. D89 054004, 2014
G. Fodor, P. Forgács, Ph. Grandclément: Scalar Fields on Anti-de Sitter Background, Springer Proc.Phys. 157 53-60, 2014
P. Forgács, Á. Lukács, F. Schaposnik: Non-Abelian Vortices with a Twist, e-Print: arXiv:1504.05129, 2015
G. Fodor, P. Forgacs, Ph. Grandclement: Self-gravitating scalar breathers with negative cosmological constant, e-Print: arXiv:1503.07746, 2015
B. Mikóczi, P. Forgács, M. Vasúth: Eccentric first post-Newtonian waveforms for compact binaries in frequency domain with Hansen coefficients, e-Print: arXiv:1502.00276, 2015
P. Forgács, Á. Lukács, F. Schaposnik: Non-Abelian Vortices with a Twist, Phys. Rev. D91, 125001, 2015
G. Fodor, P. Forgacs, Ph. Grandclement: Self-gravitating scalar breathers with negative cosmological constant, Phys. Rev. D92, 025036, 2015
B. Mikóczi, P. Forgács, M. Vasúth: Eccentric first post-Newtonian waveforms for compact binaries in frequency domain with Hansen coefficients, Phys. Rev. D92, 044038, 2015
Á. Lukács: "Half a proton" in the Bogomol'nyi-Prasad-Sommerfield Skyrme model, arXiv:1603.01305, 2016
G. Fodor, P. Forgacs, Ph. Grandclement: Scalar Fields on Anti-de Sitter Background, Springer Proc.Phys. 157, 53, 2014
T. Ioannidou, Á. Lukács: Time-dependent Bogomolny-Prasad-Sommerfeld skyrmions, J.Math.Phys. 57, 022901, 2016
Á. Lukács: "Half a proton" in the Bogomol'nyi-Prasad-Sommerfield Skyrme model, J. Math. Phys. 57, 072903, 2016
P. Forgács and Á. Lukács: Vortices with scalar condensates in two-component Ginzburg-Landau systems, Phys. Lett. B762, 271-275, 2016
P. Forgács and Á. Lukács: Vortices and magnetic bags in Abelian models with extended scalar secors and some of their applications, Phys. Rev. D94, 2016
P. Forgács, Á. Lukács, F. Schaposnik: Twisted non-Abelian vortices, Int.J.Mod.Phys. A31 (2016) no.28&29, 1645046, 2016
P. Forgács, Á. Lukács: Stabilization of semilocal strings by dark scalar condensates, Phys.Rev. D95, 035003, 2017
G. Martinon, Gy. Fodor, Ph. Grandclément, P. Forgács: Gravitational geons in asymptotically anti-de Sitter spacetimes, arXiv:1701.09100, 2017



Back »