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.

Älykkään suunnittelun teoria : Tutkimus kansanomaisen psykologian ja biologian yhteydestä kreationistiseen ajatteluun

Tutkimuksen kohteena on (uus)kreationistinen älykkään suunnittelun (Intelligent Design) teoria. Tutkimus on luonteeltaan teoreettinen ja lukeutuu kognitiivisen uskonnontutkimuksen alaan. Näkökulmana on tarkastella älykkään suunnittelun teorian mukaista ajattelua ihmisen intuitiivisena taipumuksena ymmärtää luontoa ja luonnossa esiintyviä mekanismeja. Esimerkkinä intuitiivisesta päättelystä tarkastellaan erityisesti kansanomaisen psykologian (folk psychology) ja kansanomaisen biologian (folk biology) mukaista ajattelua. Tutkimuksessa kysytään: ilmeneekö älykkään suunnittelun teoriassa mahdollisesti kansanomaisen psykologian ja biologian mukaista ajattelua? Ensimmäiseksi käsitteellistetään älykkään suunnittelun teoria ja esitellään tutkimuksen aineisto. Esille tulevat yhteydet Yhdysvaltojen uskonnolliseen ilmapiiriin, kristillisten kreationististen suuntausten jatkumoon sekä evoluutioteoriaan. Aineisto koostuu älykkään suunnittelun teoriaa kehitelleen Michael J. Behen todistajanlausunnosta Doverin oikeudenkäynnissä, jossa arvioitavana oli älykkään suunnittelun teorian mahdollinen tieteellisyys ja uskonnollisuus. Tutkimuksen teoreettisessa viitekehyksessä määritellään tarkemmin, minkälaisiin ajattelutapoihin kansanomaisella, tieteellisellä ja uskonnollisella ajattelulla tutkimuksessa viitataan. Tämän jälkeen esitellään teoreettiset työvälineet - kansanomaisen psykologia ja biologia. Teoriaosuudessa tarkennetaan myös kansanomaisen, tieteellisen ja uskonnollisen ajattelun suhdetta intuitiiviseen ja intuitionvastaiseen ajatteluun, sekä määritellään kolmas termi epäintuitiivisuus. Teoriaosuus perustuu pääasiassa kognitiivisen uskonnontutkimuksen alaan lukeutuvien tutkijoiden, kuten Scott Atranin, Pascal Boyerin, Robert N. McCauleyn ja Ilkka Pyysiäisen julkaisuihin. Tutkimuksessa tarkastellaan myös evoluutioteorian ymmärtämistä tutkineen E. Margaret Evansin tutkimuksia. Analyysissä teoreettisia huomioita havainnollistetaan aineistosta löydettyjen esimerkkien kautta. Teoriaohjaavan sisällönanalyysin kautta Behen todistajanlausunnosta nostetaan esille erityisesti kansanomaisen psykologian ja biologian mukaiset ajattelun tavat. Analyysissä tarkastellaan, mitä tutkimuslöydösten avulla voidaan selittää älykkään suunnittelun teorian edustamasta kreationistisesta ajattelusta. Tutkimustuloksena esitetään, että älykkään suunnittelun teoria mukailee monilta osin sekä kansanomaista psykologiaa että kansanomaista biologiaa. Älykkään suunnittelun teoriassa muodostetaan intuitiivinen ideakokonaisuus maailmasta/ eliökunnasta ja sen aiheuttaneesta intuitionvastaisesta toimijasta. Mahdolliset epäintuitiiviset elementit, kuten luonnonvalinta ja kristillinen teologia, ovat teoriassa olemattomat. Tutkimuksessa osoitetaan, että kreationistista ajattelua voidaan perustellusti tarkastella ihmiselle intuitiivisena taipumuksena ymmärtää luontoa.

Noncommutative Gravitation as a Gauge Theory of Twisted Poincaré Symmetry

Gravitaation kvanttiteorian muotoilu on ollut teoreettisten fyysikkojen tavoitteena kvanttimekaniikan synnystä lähtien. Kvanttimekaniikan soveltaminen korkean energian ilmiöihin yleisen suhteellisuusteorian viitekehyksessä johtaa aika-avaruuden koordinaattien operatiiviseen ei-kommutoivuuteen. Ei-kommutoivia aika-avaruuden geometrioita tavataan myös avointen säikeiden säieteorioiden tietyillä matalan energian rajoilla. Ei-kommutoivan aika-avaruuden gravitaatioteoria voisi olla yhteensopiva kvanttimekaniikan kanssa ja se voisi mahdollistaa erittäin lyhyiden etäisyyksien ja korkeiden energioiden prosessien ei-lokaaliksi uskotun fysiikan kuvauksen, sekä tuottaa yleisen suhteellisuusteorian kanssa yhtenevän teorian pitkillä etäisyyksillä. Tässä työssä tarkastelen gravitaatiota Poincarén symmetrian mittakenttäteoriana ja pyrin yleistämään tämän näkemyksen ei-kommutoiviin aika-avaruuksiin. Ensin esittelen Poincarén symmetrian keskeisen roolin relativistisessa fysiikassa ja sen kuinka klassinen gravitaatioteoria johdetaan Poincarén symmetrian mittakenttäteoriana kommutoivassa aika-avaruudessa. Jatkan esittelemällä ei-kommutoivan aika-avaruuden ja kvanttikenttäteorian muotoilun ei-kommutoivassa aika-avaruudessa. Mittasymmetrioiden lokaalin luonteen vuoksi tarkastelen huolellisesti mittakenttäteorioiden muotoilua ei-kommutoivassa aika-avaruudessa. Erityistä huomiota kiinnitetään näiden teorioiden vääristyneeseen Poincarén symmetriaan, joka on ei-kommutoivan aika-avaruuden omaama uudentyyppinen kvanttisymmetria. Seuraavaksi tarkastelen ei-kommutoivan gravitaatioteorian muotoilun ongelmia ja niihin kirjallisuudessa esitettyjä ratkaisuehdotuksia. Selitän kuinka kaikissa tähänastisissa lähestymistavoissa epäonnistutaan muotoilla kovarianssi yleisten koordinaattimunnosten suhteen, joka on yleisen suhteellisuusteorian kulmakivi. Lopuksi tutkin mahdollisuutta yleistää vääristynyt Poincarén symmetria lokaaliksi mittasymmetriaksi --- gravitaation ei-kommutoivan mittakenttäteorian saavuttamisen toivossa. Osoitan, että tällaista yleistystä ei voida saavuttaa vääristämällä Poincarén symmetriaa kovariantilla twist-elementillä. Näin ollen ei-kommutoivan gravitaation ja vääristyneen Poincarén symmetrian tutkimuksessa tulee jatkossa keskittyä muihin lähestymistapoihin.

Noncommutative Quantum Field Theories and UV/IR Mixing

Our present-day understanding of fundamental constituents of matter and their interactions is based on the Standard Model of particle physics, which relies on quantum gauge field theories. On the other hand, the large scale dynamical behaviour of spacetime is understood via the general theory of relativity of Einstein. The merging of these two complementary aspects of nature, quantum and gravity, is one of the greatest goals of modern fundamental physics, the achievement of which would help us understand the short-distance structure of spacetime, thus shedding light on the events in the singular states of general relativity, such as black holes and the Big Bang, where our current models of nature break down. The formulation of quantum field theories in noncommutative spacetime is an attempt to realize the idea of nonlocality at short distances, which our present understanding of these different aspects of Nature suggests, and consequently to find testable hints of the underlying quantum behaviour of spacetime. The formulation of noncommutative theories encounters various unprecedented problems, which derive from their peculiar inherent nonlocality. Arguably the most serious of these is the so-called UV/IR mixing, which makes the derivation of observable predictions especially hard by causing new tedious divergencies, to which our previous well-developed renormalization methods for quantum field theories do not apply. In the thesis I review the basic mathematical concepts of noncommutative spacetime, different formulations of quantum field theories in the context, and the theoretical understanding of UV/IR mixing. In particular, I put forward new results to be published, which show that also the theory of quantum electrodynamics in noncommutative spacetime defined via Seiberg-Witten map suffers from UV/IR mixing. Finally, I review some of the most promising ways to overcome the problem. The final solution remains a challenge for the future.

On the Geometry of Infinite-Dimensional Grassmannian Manifolds and Gauge Theory

This PhD Thesis is about certain infinite-dimensional Grassmannian manifolds that arise naturally in geometry, representation theory and mathematical physics. From the physics point of view one encounters these infinite-dimensional manifolds when trying to understand the second quantization of fermions. The many particle Hilbert space of the second quantized fermions is called the fermionic Fock space. A typical element of the fermionic Fock space can be thought to be a linear combination of the configurations m particles and n anti-particles . Geometrically the fermionic Fock space can be constructed as holomorphic sections of a certain (dual)determinant line bundle lying over the so called restricted Grassmannian manifold, which is a typical example of an infinite-dimensional Grassmannian manifold one encounters in QFT. The construction should be compared with its well-known finite-dimensional analogue, where one realizes an exterior power of a finite-dimensional vector space as the space of holomorphic sections of a determinant line bundle lying over a finite-dimensional Grassmannian manifold. The connection with infinite-dimensional representation theory stems from the fact that the restricted Grassmannian manifold is an infinite-dimensional homogeneous (Kähler) manifold, i.e. it is of the form G/H where G is a certain infinite-dimensional Lie group and H its subgroup. A central extension of G acts on the total space of the dual determinant line bundle and also on the space its holomorphic sections; thus G admits a (projective) representation on the fermionic Fock space. This construction also induces the so called basic representation for loop groups (of compact groups), which in turn are vitally important in string theory / conformal field theory. The Thesis consists of three chapters: the first chapter is an introduction to the backround material and the other two chapters are individually written research articles. The first article deals in a new way with the well-known question in Yang-Mills theory, when can one lift the action of the gauge transformation group on the space of connection one forms to the total space of the Fock bundle in a compatible way with the second quantized Dirac operator. In general there is an obstruction to this (called the Mickelsson-Faddeev anomaly) and various geometric interpretations for this anomaly, using such things as group extensions and bundle gerbes, have been given earlier. In this work we give a new geometric interpretation for the Faddeev-Mickelsson anomaly in terms of differentiable gerbes (certain sheaves of categories) and central extensions of Lie groupoids. The second research article deals with the question how to define a Dirac-like operator on the restricted Grassmannian manifold, which is an infinite-dimensional space and hence not in the landscape of standard Dirac operator theory. The construction relies heavily on infinite-dimensional representation theory and one of the most technically demanding challenges is to be able to introduce proper normal orderings for certain infinite sums of operators in such a way that all divergences will disappear and the infinite sum will make sense as a well-defined operator acting on a suitable Hilbert space of spinors. This research article was motivated by a more extensive ongoing project to construct twisted K-theory classes in Yang-Mills theory via a Dirac-like operator on the restricted Grassmannian manifold.

John Searlen teoria tietoisuudesta

Tutkielmassa esitellään ja arvioidaan John Searlen teoriaa tietoisuudesta. Tietoisuus (consciousness) on Searlen mukaan tärkein mielenfilosofinen käsite. Searle ei määrittele käsitettä tarkasti, vaan tyytyy esittämään sitä kuvaavia esimerkkejä ja analogioita. Tietoisuuden keskeisimmiksi ominaisuuksiksi Searlen teoriassa näyttävät muodostuvan intentionaalisuus (intentionality), subjektiivisuus (subjectivity) ja kausaalinen vaikutus käyttäytymiseen (mental causation). Näihin ominaisuuksiin liittyvät myös Searlen painavimmat tietoisuudesta esittämät argumentit. Argumenttien analysointi on tutkielman tärkein tavoite. Searlen yhteysperiaatteen (Connection Principle) mukaan intentionaalisia tiloja voi olla vain olennolla, jolla voi olla tietoisia intentionaalisia tiloja, ja jokainen alitajuinen intentionaalinen tila on ainakin potentiaalisesti tietoinen. Toisin sanoen intentionaalisuuden ja tietoisuuden välillä vallitsee välttämätön yhteys seuraavasti: on loogisesti välttämätöntä, että jokainen intentionaalinen tila voi ainakin periaattessa päästä tietoisuuteen.Tutkielmassa kuitenkin osoitetaan, että yhteysperiaateeseen on syytä suhtautua epäillen. Searlen yhteysperiaatteen puolesta esittämä argumentti näyttää nimittäin sisältävän dilemman. Jos erottelu intrinsiseen ja näennäiseen intentionaalisuuteen tulkitaan Searlen tavoin, syyllistytään sen olettamiseen, mikä pitäisi todistaa; jos taas erottelu tulkitaan toisin kuin Searle, argumentti ei tue yhteysperiaatetta. Searlen mukaan mentaaliset tilat ovat aina jonkun mentaalisia tiloja. Tästä väitteestä Searle pyrkii johtamaan toisen, paljon radikaalimman väitteen: mielen ilmiöt kuuluvat omaan ontologiseen kategoriaansa, subjektiivisten mentaalisten tilojen kategoriaan. Searlen käsitystä tukee Thomas Nagelin esittämä, hyvin samansisältöinen argumentti. Yksimielisyys ei kuitenkaan ole erehtymättömyyden tae, sillä Paul Churchlandin kritiikki näyttää pahasti horjuttavan Searlen subjektiivisuusargumentin uskottavuutta. Churchland väittää Searlen syyllistyvän intensionaaliseen virhepäätelmään. Yksittäisen henkilön episteemisen pääsyn rajoittuneisuudesta ei Churchlandin mukaan voida tehdä mitään ontologisia johtopäätöksiä, koska tiedetyksi tuleminen ei ole objektin aito ominaisuus. Vastaväite näyttää olevan kohtalokas Searlen subjektiivisuusargumentille. Subjektiivisuuden ongelma näyttää olevan perustava metafyysinen vedenjakaja, joka jakaa mielenfilosofiset teoriat toisaalta materialistisiin, toisaalta dualistisiin. Searle uskoo, että mieli-ruumis -ongelma (mind-body problem) on ratkaistavissa ilman, että tarvitsee valita kumpaakaan. Ratkaisu sisältyy kahteen Searlen näennäisesti yhteensopimattomaan teesiin. Ensimmäisen teesin mukaan mentaaliset tilat ovat todellisia ilmiöitä, eikä niitä voida redusoida mihinkään muuhun tai eliminoida määrittelemällä ne uudestaan. Toisen teesin mukaan aivojen operaatiot aiheuttavat mentaaliset tilat ja mentaaliset tilat ovat aivojen piirteitä. Teeseistä jälkimmäinen osoittautuu ongelmalliseksi syistä, jotka Jaegwon Kim on esittänyt. Jos mentaaliset tilat olisivat aivojen ominaisuuksia, ei mielen ja aivojen välinen suhde voisi olla kausaalinen, koska kausaatiossa (causation) on aina kyse kahden erillisen entiteetin tai tapahtuman välisestä relaatiosta, jossa suhteen osapuolien välillä on oltava ajallista etäisyyttä. Toiseksi Searlen vertaus tietoisuuden ja aivojen suhteesta kappaleen kiinteyden ja sen mikrorakenteen suhteeseen epäonnistuu, koska tietoisuus ja kiinteys kuuluvat Searlen teoriassa eri ontologisiin kategorioihin, eikä niitä siten voi ongelmattomasti rinnastaa. Searlen analogia kiinteyteen murtuu myös siksi, että kappaleen mikrorakenne ei yksinkertaisesti aiheuta sen kiinteyttä. Tietoisuus ei siis voi olla samanaikaisesti aivojen ominaisuus ja aivojen kausaalisen toiminnan seuraus. Tutkielmassa päädytään puolustamaan kantaa, että Searlen argumentit eivät ole vakuuttavia ja että Searle ei ole onnistunut eksplikoimaan teoriaa, joka välttäisi dualismiin ja materialismiin liittyvät tunnetut ongelmat. Kysymys mikä on mielen suhde ruumiiseen, jää siten avoimeksi. Avainsanat: intentionaalisuus, mentaalinen, mieli-ruumis -ongelma, Searle, subjektiivisuus, tietoisuus

Quantum Space-Time and Noncommutative Gauge Field Theories

Arguments arising from quantum mechanics and gravitation theory as well as from string theory, indicate that the description of space-time as a continuous manifold is not adequate at very short distances. An important candidate for the description of space-time at such scales is provided by noncommutative space-time where the coordinates are promoted to noncommuting operators. Thus, the study of quantum field theory in noncommutative space-time provides an interesting interface where ordinary field theoretic tools can be used to study the properties of quantum spacetime. The three original publications in this thesis encompass various aspects in the still developing area of noncommutative quantum field theory, ranging from fundamental concepts to model building. One of the key features of noncommutative space-time is the apparent loss of Lorentz invariance that has been addressed in different ways in the literature. One recently developed approach is to eliminate the Lorentz violating effects by integrating over the parameter of noncommutativity. Fundamental properties of such theories are investigated in this thesis. Another issue addressed is model building, which is difficult in the noncommutative setting due to severe restrictions on the possible gauge symmetries imposed by the noncommutativity of the space-time. Possible ways to relieve these restrictions are investigated and applied and a noncommutative version of the Minimal Supersymmetric Standard Model is presented. While putting the results obtained in the three original publications into their proper context, the introductory part of this thesis aims to provide an overview of the present situation in the field.

Dimensional Reduction Near the Deconfinement Transition

When ordinary nuclear matter is heated to a high temperature of ~ 10^12 K, it undergoes a deconfinement transition to a new phase, strongly interacting quark-gluon plasma. While the color charged fundamental constituents of the nuclei, the quarks and gluons, are at low temperatures permanently confined inside color neutral hadrons, in the plasma the color degrees of freedom become dominant over nuclear, rather than merely nucleonic, volumes. Quantum Chromodynamics (QCD) is the accepted theory of the strong interactions, and confines quarks and gluons inside hadrons. The theory was formulated in early seventies, but deriving first principles predictions from it still remains a challenge, and novel methods of studying it are needed. One such method is dimensional reduction, in which the high temperature dynamics of static observables of the full four-dimensional theory are described using a simpler three-dimensional effective theory, having only the static modes of the various fields as its degrees of freedom. A perturbatively constructed effective theory is known to provide a good description of the plasma at high temperatures, where asymptotic freedom makes the gauge coupling small. In addition to this, numerical lattice simulations have, however, shown that the perturbatively constructed theory gives a surprisingly good description of the plasma all the way down to temperatures a few times the transition temperature. Near the critical temperature, the effective theory, however, ceases to give a valid description of the physics, since it fails to respect the approximate center symmetry of the full theory. The symmetry plays a key role in the dynamics near the phase transition, and thus one expects that the regime of validity of the dimensionally reduced theories can be significantly extended towards the deconfinement transition by incorporating the center symmetry in them. In the introductory part of the thesis, the status of dimensionally reduced effective theories of high temperature QCD is reviewed, placing emphasis on the phase structure of the theories. In the first research paper included in the thesis, the non-perturbative input required in computing the g^6 term in the weak coupling expansion of the pressure of QCD is computed in the effective theory framework at an arbitrary number of colors. The two last papers on the other hand focus on the construction of the center-symmetric effective theories, and subsequently the first non-perturbative studies of these theories are presented. Non-perturbative lattice simulations of a center-symmetric effective theory for SU(2) Yang-Mills theory show --- in sharp contrast to the perturbative setup --- that the effective theory accommodates a phase transition in the correct universality class of the full theory. This transition is seen to take place at a value of the effective theory coupling constant that is consistent with the full theory coupling at the critical temperature.

Search for Supersymmetry with Gauge-Mediated Breaking in Diphoton Events with Missing Transverse Energy at CDF II

We present the results of a search for supersymmetry with gauge-mediated breaking and $\NONE\to\gamma\Gravitino$ in the $\gamma\gamma$+missing transverse energy final state. In 2.6$\pm$0.2 \invfb of $p{\bar p}$ collisions at $\sqrt{s}$$=$1.96 TeV recorded by the CDF II detector we observe no candidate events, consistent with a standard model background expectation of 1.4$\pm$0.4 events. We set limits on the cross section at the 95% C.L. and place the world's best limit of 149\gevc on the \none mass at $\tau_{\tilde{\chi}_1^0}$$

Gauge Field Theories, Quantum Space-Time and Some Applications

In this thesis, the possibility of extending the Quantization Condition of Dirac for Magnetic Monopoles to noncommutative space-time is investigated. The three publications that this thesis is based on are all in direct link to this investigation. Noncommutative solitons have been found within certain noncommutative field theories, but it is not known whether they possesses only topological charge or also magnetic charge. This is a consequence of that the noncommutative topological charge need not coincide with the noncommutative magnetic charge, although they are equivalent in the commutative context. The aim of this work is to begin to fill this gap of knowledge. The method of investigation is perturbative and leaves open the question of whether a nonperturbative source for the magnetic monopole can be constructed, although some aspects of such a generalization are indicated. The main result is that while the noncommutative Aharonov-Bohm effect can be formulated in a gauge invariant way, the quantization condition of Dirac is not satisfied in the case of a perturbative source for the point-like magnetic monopole.

Noncommutative Quantum Field Theory : Problem of Time and Some Applications

In this thesis the current status and some open problems of noncommutative quantum field theory are reviewed. The introduction aims to put these theories in their proper context as a part of the larger program to model the properties of quantized space-time. Throughout the thesis, special focus is put on the role of noncommutative time and how its nonlocal nature presents us with problems. Applications in scalar field theories as well as in gauge field theories are presented. The infinite nonlocality of space-time introduced by the noncommutative coordinate operators leads to interesting structure and new physics. High energy and low energy scales are mixed, causality and unitarity are threatened and in gauge theory the tools for model building are drastically reduced. As a case study in noncommutative gauge theory, the Dirac quantization condition of magnetic monopoles is examined with the conclusion that, at least in perturbation theory, it cannot be fulfilled in noncommutative space.