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Flassig, Daniel (2016): Collective quantum effects in field theory and gravity. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Collective quantum effects have traditionally not received much attention in high energy physics. Recently, however, a model for black hole physics was put forward, in which black holes are described as Bose-condensates of gravitons close to a critical point. In a different line of research, estimates of high-energy collisions in the electro-weak theory have hinted that scattering processes with multiple Higgs or vector Bosons in the final state might be in reach for future particle colliders. In both scenarios, collective quantum effects may be crucial for understanding the physics. In the first part of this thesis, we address the black hole condensate picture of Dvali and Gomez. We study a Bosonic many-body system (attractive Lieb-Liniger) which exhibits a quantum phase transition and was proposed as a model for the graviton condensate. We demonstrate that, even for macroscopic particle number, quantum effects are prominent at the critical point. This becomes especially clear in the entanglement of different momentum modes and in the quantum discord between two successive density measurements. We point out that the leading contribution to these phenomena arises from long-wavelength modes and is therefore insensitive to ultra-violet physics. For black holes in the graviton condensate picture, these findings imply a breakdown of the semiclassical description and may be the key to resolving the long-standing information problem. We then turn our attention to the question of information processing in black holes. Inspired by the properties of three-dimensional attractive Bose condensates, we propose a concrete mechanism for fast scrambling in graviton-condensate black holes. To bolster our claims, we perform simulations of the Lieb-Liniger model in an appropriate regime that reveal entanglement-generation in logarithmic time. We also point out that the idea of instability and possibly chaos as the origin of fast quantum breaking and scrambling may also be relevant for other models of black holes. In the second part of this thesis, we use techniques of integrability (Bethe ansatz) to address the phase transition of the attractive Lieb-Liniger model analytically. We derive the continuum limit of the Bethe equations and solve it for the ground state at arbitrary coupling. We establish an exact equivalence between the Bethe-ansatz description in the large-particle-number limit and the large-N saddle point of Euclidean two dimensional U(N) Yang-Mills theory quantized on a sphere. The transition between the homogeneous and solitonic phases of the Lieb-Liniger model is thus dual to the Douglas-Kazakov confinement-deconfinement transition. In the last part, we consider scattering amplitudes involving many particles. In a simple integral-model, we study in detail the breakdown of perturbation theory and emphasize that the pure tree-level approximation fails earlier, parametrically. We then demonstrate, in three different (integral and quantum mechanical) model systems, that the physical high multiplicity amplitudes can be predicted on the basis of leading-order information from (non-perturbative) saddle points. In the non-Borel summable cases, one non-perturbative saddle contribution alone dominates the amplitudes. We highlight that high-multiplicity amplitudes may thus be a fruitful application for the methods of resurgence theory.

Abstract

Kollektive Quanteneffekte haben traditionell keine große Aufmerksamkeit in der Hochenergiephysik erfahren. Vor kurzem ist jedoch ein Modell für die Physik schwarzer Löcher vorgeschlagen worden, in dem diese als Bose-Kondensate von Gravitonen nahe an einem kritischen Punkt beschrieben werden. In einer anderen Forschungsrichtung haben Abschätzungen der Hochenergiekollisionen in der elektroschwachen Theorie Hinweise darauf geliefert, dass Streuprozesse mit mehreren Higgs- oder Vektorbosonen im Endzustand in Reichweite künftiger Teilchenbeschleuniger sein könnten. In beiden Fällen dürften kollektive Quanteneffekte zentral für das Verständnis der Physik sein. Im ersten Teil dieser Arbeit behandeln wir das Gravitonkondensat-Bild für schwarze Löcher von Dvali und Gomez. Wir untersuchen ein Bosonisches Vielteilchensystem (attraktives Lieb-Liniger), das einen Quantenphasenübergang zeigt und als Modell für Gravitonkondensate vorgeschlagen worden ist. Wir zeigen, dass - selbst für makroskopische Teilchenzahlen - Quanteneffekte am kritischen Punkt wichtig sind. Das wird an der Verschränkung unterschiedlicher Impulsmoden und dem Quantenmissklang zwischen zwei aufeinanderfolgenden Dichtemessungen besonders klar. Wir heben hervor, dass der führende Beitrag zu diesen Phänomenen aus langwelligen Moden hervorgeht und daher von der ultravioletten Physik unabhängig ist. Diese Ergebnisse implizieren für schwarze Löcher im Gravitonkondensat-Bild, dass die semiklassische Beschreibung zusammenbricht, und sie könnten der Schlüssel dazu sein, das lange bestehende Informationsproblem zu lösen. Dann wenden wir uns der Frage der Informationsverarbeitung in schwarzen Löchern zu. Inspiriert von den Eigenschaften dreidimensionaler attraktiver Bose-Kondensate schlagen wir einen konkreten Mechanismus für das schnelle Scrambling in Gravitonkondensat-schwarzen-Löchern vor. Um diese Behauptung zu stützen führen wir Simulationen am Lieb-Liniger Modell in einem geeigneten Regime durch, die Verschränkungs-Erzeugung in logarithmischer Zeit offenbaren. Wir weisen auch darauf hin, dass die Idee, Instabilität und gegebenenfalls Chaos als Ursache für schnelles Quantenbrechen und Scrambling zu betrachten, relevant für andere Modelle von schwarzen Löchern sein kann. Im zweiten Teil dieser Arbeit verwenden wir Integrabilitäts-Techniken (Bethe-Ansatz) um den Phasenübergang des attraktiven Lieb-Liniger Modells analytisch zu analysieren. Wir leiten den Kontinuumslimes der Bethe-Gleichungen her und lösen ihn für den Grundzustand bei beliebiger Kopplungsstärke. Wir stellen eine genaue Äquivalenz zwischen der Bethe-Ansatz Beschreibung im Vielteilchen-Limes und dem groß-N Sattelpunkt von Euklidischer zweidimensionaler U(N) Yang-Mills Theorie, auf der Sphäre quantisiert, her. Der Übergang zwischen der homogenen und solitonischen Phase des Lieb-Liniger Modells ist dadurch dual zum Douglas-Kazakov Übergang zwischen Confinement und Deconfinement. Im letzten Teil widmen wir uns Streuamplituden von vielen Teilchen. In einem einfachen Integralmodell untersuchen wir im Detail den Zusammenbruch der Störungstheorie und betonen, dass reine Baum-Näherungen parametrisch noch früher versagen. Wir demonstrieren dann, dass sich die Streuamplituden hoher Multiplizität, in drei verschiedenen (Integral- und quantenmechanischen) Modellsystemen, auf Basis der führenden Ordnung von (nicht-perturbativen) Sattelpunkten, vorhersagen lassen. In den nicht Borel-summierbaren Fällen dominiert allein der Beitrag eines nicht-perturbativen Sattelpunkts. Wir zeigen auf, dass die Amplituden hoher Multiplizität daher wohl eine lohnenswerte Anwendung für die Techniken der Resurgenztheorie sind.

Abstract

Deutsche Übersetzung des Titels: Kollektive Quanteneffekte in Feldtheorie und Gravitation