Quantum effects in classical backgrounds: dark matter superfluidity and coherent states

Cintia, Giordano (2023): Quantum effects in classical backgrounds: dark matter superfluidity and coherent states. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Classical field configurations are frequently encountered in fundamental physics. Although the ultimate description of a system is quantum, classical backgrounds are quite accurate for describing states of high occupancy and they are of central importance in a variety of phenomena, from early universe cosmology to astrophysics. Therefore, this thesis is dedicated to the comprehensive investigation of various phenomenological and theoretical aspects associated with this class of systems. In the first part of this thesis, we study the effects that a superfluid phase of dark matter has on the formation and evolution of dark matter halos. Although the standard Cold Dark Matter (CDM) paradigm successfully addresses large-scale observations, several open problems emerge when the framework is applied to the dynamics of galaxies. The mismatch between the properties of galactic halos obtained from CDM simulations and the ones inferred from observations is commonly known as small-scale problems. Motivated by these issues, we study the phenomenology of the simplest dark matter superfluid, which is the theory of a scalar field with repulsive quartic self-interactions. If dark matter is comprised of sub-eV scalar bosons, we show that new emergent collective phenomena can ameliorate these challenges. The second part of the thesis is devoted to understanding coherent states in interacting quantum field theories. By focusing on the theory of a real scalar field with quartic interactions, we investigate the implications that cumulative quantum effects can have on the dynamics of coherent states. We show that the classical backgrounds of this theory are not equilibrium configurations, as they are prone to be depleted by the annihilation of zero momentum quantum constituents into relativistic particles. This result is found by computing the time-evolution of the one-point function of the field operator, for non-squeezed coherent states describing homogeneous configurations. While these findings were previously derived using the S-matrix analysis, in this part we confirm them using the Schwinger-Keldish formalism. Also, we discuss the issue of initial time singularities that affect coherent states. These are a set of divergences that appear in the correlation functions and that cannot be removed by renormalizing the theory. The main implication of these pathologies is that non-squeezed coherent states have to be dismissed as consistent states in interacting quantum field theories, at least in perturbative computations. Finally, we show that the same conclusions apply to squeezed coherent states. Although these states can address the initial time singularity at the one-loop order in the semiclassical expansion, they fail to do that at higher orders. Only by considering non-gaussian states, this class of divergences can be removed.

Abstract

Klassische Feldkonfigurationen sind in der Grundlagenphysik häufig anzutreffen. Obwohl die ultimative Beschreibung eines Systems quantenbasiert ist, sind klassische Hintergründe recht genau für die Beschreibung von Zuständen mit hoher Belegung und sie sind von zentraler Bedeutung für eine Vielzahl von Phänomenen, von der Kosmologie des frühen Universums bis zur Astrophysik. Daher ist diese Arbeit der umfassenden Untersuchung verschiedener phänomenologischer und theoretischer Aspekte im Zusammenhang mit dieser Klasse von Systemen gewidmet. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir die Auswirkungen einer supraflüssigen Phase der dunklen Materie auf die Entstehung und Entwicklung von Halos aus dunkler Materie. Obwohl das Standardparadigma der kalten dunklen Materie (Cold Dark Matter, CDM) erfolgreich auf großräumige Beobachtungen eingeht, tauchen mehrere offene Probleme auf, wenn der Rahmen auf die Dynamik von Galaxien angewendet wird. Die Diskrepanz zwischen den Eigenschaften von galaktischen Halos, die aus CDM-Simulationen gewonnen werden, und den aus Beobachtungen abgeleiteten Eigenschaften ist allgemein als small-scale problems bekannt. Motiviert durch diese Probleme untersuchen wir die Phänomenologie der einfachsten Modells superflüssiger dunkler Materie, die Theorie eines Skalarfeldes mit abstoßenden quartischen Selbstwechselwirkungen ist. Wenn die dunkle Materie aus sub-eV Skalarbosonen besteht, zeigen wir, dass neue emergente kollektive Phänomene diese Diskrepanzen verkleinern können. Der zweite Teil der Arbeit ist dem Verständnis kohärenter Zustände in wechselwirkenden Quantenfeldtheorien gewidmet. Dieser Teil zielt darauf ab, eine Verbindung zwischen der semiklassischen Näherung, die üblicherweise zur Untersuchung hochbesetzter Systeme verwendet wird, und der vollständigen Quantendynamik herzustellen. Indem wir uns auf die Theorie eines skalaren Feldes mit quartischen Wechselwirkungen konzentrieren, untersuchen wir die Auswirkungen, die kumulative Quanteneffekte auf die Dynamik kohärenter Zustände haben können. Wir zeigen, dass die klassischen Hintergründe dieser Theorie keine Gleichgewichtskonfigurationen sind, da sie dazu neigen, durch die Annihilation von Quantenbestandteilen mit Nullimpuls in relativistische Teilchen erschöpft zu werden. Dieses Ergebnis wird durch die Berechnung der zeitlichen Entwicklung der Ein-Punkt-Funktion des Feldoperators für nicht gequetschte kohärente Zustände, die homogene Konfigurationen beschreiben, gefunden. Während diese Ergebnisse zuvor mit Hilfe der S-Matrix-Analyse abgeleitet wurden, bestätigen wir sie in diesem Teil mit Hilfe des Schwinger-Keldish-Formalismus. Außerdem diskutieren wir das Problem der anfänglichen Zeitsingularitäten, die kohärente Zustände beeinflussen. Dabei handelt es sich um eine Reihe von Divergenzen, die in den Korrelationsfunktionen auftreten und die nicht durch Renormierung der Theorie beseitigt werden können. Die wichtigste Auswirkung dieser Pathologien ist, dass nicht gequetschte kohärente Zustände als konsistente Zustände in wechselwirkenden Quantenfeldtheorien abgetan werden müssen, zumindest bei perturbativen Berechnungen. Schließlich zeigen wir, dass dieselben Schlussfolgerungen auch für kohärente Zustände mit Quetschungen gelten. Obwohl diese Zustände die anfängliche Zeitsingularität bei der ersten Schleifenordnung in der semiklassischen Expansion beheben, aber bei höheren Ordnungen gelingt ihnen dies nicht. Nur durch die Betrachtung nicht-gaußscher Zustände kann diese Klasse von Divergenzen beseitigt werden.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Dark Matter, Coherent States, Cosmology, Quantum Field Theory
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 6. Dezember 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Dvali, Gia