Picard-Fuchs equations of dimensionally regulated Feynman integrals

Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit besch¨aftige ich mich mit Differentialgleichungen von Feynman– Integralen. Ein Feynman–Integral h¨angt von einem Dimensionsparameter D ab und kann f¨ur ganzzahlige Dimension als projektives Integral dargestellt werden. Dies ist die sogenannte Feynman–Parameter Darstellung. In Abh¨angigkeit der Dimension kann ein solches Integral divergieren. Als Funktion in D erh¨alt man eine meromorphe Funktion auf ganz C. Ein divergentes Integral kann also durch eine Laurent–Reihe ersetzt werden und dessen Koeffizienten r¨ucken in das Zentrum des Interesses. Diese Vorgehensweise wird als dimensionale Regularisierung bezeichnet. Alle Terme einer solchen Laurent–Reihe eines Feynman–Integrals sind Perioden im Sinne von Kontsevich und Zagier. Ich beschreibe eine neue Methode zur Berechnung von Differentialgleichungen von Feynman– Integralen. ¨ Ublicherweise verwendet man hierzu die sogenannten ”integration by parts” (IBP)– Identit¨aten. Die neue Methode verwendet die Theorie der Picard–Fuchs–Differentialgleichungen. Im Falle projektiver oder quasi–projektiver Variet¨aten basiert die Berechnung einer solchen Differentialgleichung auf der sogenannten Griffiths–Dwork–Reduktion. Zun¨achst beschreibe ich die Methode f¨ur feste, ganzzahlige Dimension. Nach geeigneter Verschiebung der Dimension erh¨alt man direkt eine Periode und somit eine Picard–Fuchs–Differentialgleichung. Diese ist inhomogen, da das Integrationsgebiet einen Rand besitzt und daher nur einen relativen Zykel darstellt. Mit Hilfe von dimensionalen Rekurrenzrelationen, die auf Tarasov zur¨uckgehen, kann in einem zweiten Schritt die L¨osung in der urspr¨unglichen Dimension bestimmt werden. Ich beschreibe außerdem eine Methode, die auf der Griffiths–Dwork–Reduktion basiert, um die Differentialgleichung direkt f¨ur beliebige Dimension zu berechnen. Diese Methode ist allgemein g¨ultig und erspart Dimensionswechsel. Ein Erfolg der Methode h¨angt von der M¨oglichkeit ab, große Systeme von linearen Gleichungen zu l¨osen. Ich gebe Beispiele von Integralen von Graphen mit zwei und drei Schleifen. Tarasov gibt eine Basis von Integralen an, die Graphen mit zwei Schleifen und zwei externen Kanten bestimmen. Ich bestimme Differentialgleichungen der Integrale dieser Basis. Als wichtigstes Beispiel berechne ich die Differentialgleichung des sogenannten Sunrise–Graphen mit zwei Schleifen im allgemeinen Fall beliebiger Massen. Diese ist f¨ur spezielle Werte von D eine inhomogene Picard–Fuchs–Gleichung einer Familie elliptischer Kurven. Der Sunrise–Graph ist besonders interessant, weil eine analytische L¨osung erst mit dieser Methode gefunden werden konnte, und weil dies der einfachste Graph ist, dessen Master–Integrale nicht durch Polylogarithmen gegeben sind. Ich gebe außerdem ein Beispiel eines Graphen mit drei Schleifen. Hier taucht die Picard–Fuchs–Gleichung einer Familie von K3–Fl¨achen auf.

Abstract This thesis is devoted to studying differential equations of Feynman integrals. A Feynman integral depends on a dimension D. For integer values of D it can be written as a projective integral, which is called the Feynman parameter prescription. A major complication arises from the fact that for some values of D the integral can diverge. This problem is solved within dimensional regularization by continuing the integral as a meromorphic function on the complex plane and replacing the ill–defined quantity by a Laurent series in a dimensional regularization parameter. All terms in such a Laurent expansion are periods in the sense of Kontsevich and Zagier. We describe a new method to compute differential equations of Feynman integrals. So far, the standard has been to use integration–by–parts (IBP) identities to obtain coupled systems of linear differential equations for the master integrals. Our method is based on the theory of Picard–Fuchs equations. In the case we are interested in, that of projective and quasiprojective families, a Picard–Fuchs equation can be computed by means of the Griffiths–Dwork reduction. We describe a method that is designed for fixed integer dimension. After a suitable integer shift of dimension we obtain a period of a family of hypersurfaces, hence a Picard–Fuchs equation. This equation is inhomogeneous because the domain of integration has a boundary and we only obtain a relative cycle. As a second step we shift back the dimension using Tarasov’s generalized dimensional recurrence relations. Furthermore, we describe a method to directly compute the differential equation for general D without shifting the dimension. This is based on the Griffiths–Dwork reduction. The success of this method depends on the ability to solve large systems of linear equations. We give examples of two and three–loop graphs. Tarasov classifies two–loop two–point functions and we give differential equations for these. For us the most interesting example is the two–loop sunrise integral with arbitrary fixed masses and varying momentum. It was previously known not to evaluate to multiple polylogarithms, but an analytic answer could not be obtained. Its geometric and number theoretic content is governed by a family of elliptic curves. We provide an inhomogeneous Picard–Fuchs equation which in the meantime lead to an analytic answer of the two–loop sunrise integral. We give a three–loop example where we find a family of K3–surfaces.