Applications of Gauge/Gravity Duality to QCD and Heavy Ion Collisions

The description of quarks and gluons, using the theory of quantum chromodynamics (QCD), has been known for a long time. Nevertheless, many fundamental questions in QCD remain unanswered. This is mainly due to problems in solving the theory at low energies, where the theory is strongly interacting. AdS/CFT is a duality between a specific string theory and a conformal field theory. Duality provides new tools to solve the conformal field theory in the strong coupling regime. There is also some evidence that using the duality, one can get at least qualitative understanding of how QCD behaves at strong coupling. In this thesis, we try to address some issues related to QCD and heavy ion collisions, applying the duality in various ways.

Kvarkkien ja gluonien - eli atomien ydinten rakenneosasien - ominaisuuksia ja käytöstä kuvaa teoria nimeltä kvanttikromodynamiikka (QCD). Vaikka kvanttikromodynamiikka kuvaa, parhaan tietämyksemme mukaan, näiden alkeishiukkasten käytöstä oikealla tavalla, on teorian avulla vastaaminen moneen mielenkiintoiseen kysymykseen äärimmäisen vaikeaa. Tämä johtuu siitä, että teoriaa on vaikea käyttää kun se on vahvasti vuorovaikuttava. Viimeaikoina säieteoria on tuottanut mielenkiintoista edistystä vahvasti vuorovaikuttavien kenttäteorioiden (kuten QCD) ymmärtämisessä. Tätä kehityssuuntaa kutsutaan yleisesti nimellä AdS/CFT-dualiteetti. AdS/CFT-dualiteetti kertoo, että monille vahvasti vuorovaikuttaville kenttäteorioille voidaan löytää niin sanottu duaalikuvaus, jossa duaaliteoriat ovat erilaisia korkeampiulotteisia gravitaatioteorioita. Vaikka QCD:lle ei olekaan löydetty tarkkaa duaalikuvausta, voidaan siitä huolimatta nykyisten dualiteettien avulla tehdä päätelmiä myös QCD:n käytöksestä tietyissä olosuhteissa. Nämä suotuisat olosuhteet, missä kuvailu edellä mainittujen menetelmien avulla on järkevää, vastaa QCD:ssa tilannetta, missä lämpötilat ovat korkeat ja kvarkit ja gluonit ovat vahvasti vuorovaikuttavia. Raskasionitörmäykset tarjoavatkin edellä mainitut olosuhteet aineen käytökselle. Tässä väitöskirjassa on tutkittu QCD:ta käyttäen AdS/CFT-dualiteettia eri tavoin. Väitöskirjatyössä on muun muassa rakennettu fenomenologinen duaalimalli, joka kuvaa QCD:n tiettyjä ominaisuuksia duaaliteorian avulla. Erityisesti väitöstyössä on myös keskitytty raskasionitörmäyksissä syntyvän laajenevan plasman kuvailuun dualiteetin avulla.