Dense Quantum Chromodynamics and Hard Thermal Loops

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6522-0
Title: Dense Quantum Chromodynamics and Hard Thermal Loops
Author: Säppi, Saga
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Helsinki Institute of Physics (HIP)
Doctoral Programme in Particle Physics and Universe Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020-10-06
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-6522-0
http://hdl.handle.net/10138/319342
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: This Thesis covers research conducted at the University of Helsinki in the field of thermal field theory, a framework for describing quantum fields in a medium, in particular at finite temperature and chemical potential. In the included Publications, there is a strong emphasis on describing field theories in a dense medium, at large chemical potentials, as well as on thermal resummation methods. The central focus and inspiration for the research is the study of elementary particle physics, in the realm of relativistic quantum fields. Specific motivations include the desire to better understand the behaviour of dense, strongly interacting matter possibly present in the cores of neutron stars, push forward high-order perturbative calculations in thermal field theory, as well as to gain some analytic insight on nonperturbative physics by studying a simple low-dimensional model. The main results emerging from the research carried out for this Thesis include a method for reducing zero-temperature finite-density Feynman loop integrals into a sum of vacuum integrals and its proof, the determination of a new high-order contribution to the weak-coupling perturbative expansion of the pressure of cold and dense Quantum Chromodynamics, as well as a study of a three-dimensional thermal quantum field theory using a novel nonperturbative method. The research also paved the way for future determination of the full next-to-next-to-next-to leading order pressure, which is currently well under way. All of this research was theoretical, and involved primarily analytic and in some cases numerical calculation methods. In addition to peer-reviewed Publications, the Thesis contains an Introduction that builds the foundation of some key concepts—gauge theory and eventually Quantum Chromodynamics as well as thermal field theory, in particular in the imaginary-time formalism—required for understanding the included research. It also includes a more focussed Chapter on Quantum Chromodynamics at finite density, also covering Hard Thermal Loop theory.Yksi maailmankaikkeuden neljästä perusvuorovaikutuksesta on vahva vuorovaikutus, joka vastaa atomiydinten sekä niiden rakkeneosasten – protonien ja neutronien – koossapysymisestä. Teoreettinen fysiikka käyttää tämänkaltaisten ilmiöiden kuvaamisen kvanttikenttäteorioita, joista vahvaa vuorovaikutusta kuvaava alkeishiukkasfysiikan teoria on nimeltään kvanttiväridynamiikka ('Quantum Chromodynamics', QCD). QCD:n kaltaisia voimakkaita vuorovaikutuksia on haastavaa kuvata analyyttisesti. Eräs QCD:n perusominaisuuksista on kuitenkin asymptoottinen vapaus: Vahvan vuorovaikutuksen jokapäiväisillä energiaskaaloilla suuri voimakkuus pienenee energiaskaalojen kasvaessa. Tämän vuoksi äärimmäisissä olosuhteissa kuten hyvin suurissa lämpötiloissa tai tiheyksissä analyyttinen tarkastelu on mahdollista niin kutsutuin häiriöteoreettisin menetelmin. Tämä artikkeliväitöskirja keskittyy pääosin QCD:n tarkasteluun korkeissa tiheyksissä. Tiheyden ollessa suuri – esimerkiksi neutronitähtien (tiiviiden romahtaneiden tähtien) ytimissä – tietokonesimulaatiot eivät ole mahdollisia, jolloin analyyttisen tarkastelun merkitys korostuu. Erityisenä haasteena tarkastelussa on se, että systeemissä olevien matalaenergisten alkeishiukkasten kuvaaminen vaatii niiden kollektiivisen vaikutuksen ymmärtämistä tavanomaisen häiriöteorian puitteet ylittävin keinoin. Tämä saavutetaan käyttämällä Hard Thermal Loop -nimellä tunnettua efektiivistä kenttäteoriaa. Väitöskirjaa varten tehdyssä tutkimuksessa paitsi johdettiin uusia häiriöteoreettisia laskumenetelmiä, myös laskettiin ensimmäinen uusi korkean tiheyden ja matalan lämpötilan häiriöteoreettisen kehitelmän kertaluku 40 vuoteen. Tämänkaltaisia teoreettisia tuloksia voidaan soveltaa myös käytännössä neutronitähdistä kerättyjen tähtieteellisten mittausten tulkitsemiseen, mutta tässä väitöskirjatyössä niitä tarkastellaan puhtaasti teoreettisesta näkökulmasta. Korkean tiheyden QCD:n lisäksi väitöskirjassa tutkitaan mahdollista vaihtoehtoista lähestymistapaa vahvasti vuorovaikuttaviin teorioihin tarkastelemalla QCD:n lähisukulaista kvanttielektrodynamiikkaa, tarkemmin sanottuna siitä kahdessa tilaulottuvuudessa muotoiltua versiota, äärellisessä lämpötilassa. Matalammassa ulottuvuudessa eräät teorian kuvailuun liittyvät tekniset ongelmat poistuvat ja sen tarkastelu on mahdollista myös silloin, kun vuorovaikutus on äärimmäisen vahva.
Subject: theoretical Physics
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
säppi_saga_dissertation_2020.pdf 3.469Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record