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.

Spin and relativistic motion of bound states

The wave functions of moving bound states may be expected to contract in the direction of motion, in analogy to a rigid rod in classical special relativity, when the constituents are at equal (ordinary) time. Indeed, the Lorentz contraction of wave functions is often appealed to in qualitative discussions. However, only few field theory studies exist of equal-time wave functions in motion. In this thesis I use the Bethe-Salpeter formalism to study the wave function of a weakly bound state such as a hydrogen atom or positronium in a general frame. The wave function of the e^-e^+ component of positronium indeed turns out to Lorentz contract both in 1+1 and in 3+1 dimensional quantum electrodynamics, whereas the next-to-leading e^-e^+\gamma Fock component of the 3+1 dimensional theory deviates from classical contraction. The second topic of this thesis concerns single spin asymmetries measured in scattering on polarized bound states. Such spin asymmetries have so far mainly been analyzed using the twist expansion of perturbative QCD. I note that QCD vacuum effects may give rise to a helicity flip in the soft rescattering of the struck quark, and that this would cause a nonvanishing spin asymmetry in \ell p^\uparrow -> \ell' + \pi + X in the Bjorken limit. An analogous asymmetry may arise in p p^\uparrow -> \pi + X from Pomeron-Odderon interference, if the Odderon has a helicity-flip coupling. Finally, I study the possibility that the large single spin asymmetry observed in p p^\uparrow -> \pi(x_F,k_\perp) + X when the pion carries a high momentum fraction x_F of the polarized proton momentum arises from coherent effects involving the entire polarized bound state.

Structure of Relativistic States

QCD factorization in the Bjorken limit allows to separate the long-distance physics from the hard subprocess. At leading twist, only one parton in each hadron is coherent with the hard subprocess. Higher twist effects increase as one of the active partons carries most of the longitudinal momentum of the hadron, x -> 1. In the Drell-Yan process \pi N -> \mu^- mu^+ + X, the polarization of the virtual photon is observed to change to longitudinal when the photon carries x_F > 0.6 of the pion. I define and study the Berger-Brodsky limit of Q^2 -> \infty with Q^2(1-x) fixed. A new kind of factorization holds in the Drell-Yan process in this limit, in which both pion valence quarks are coherent with the hard subprocess, the virtual photon is longitudinal rather than transverse, and the cross section is proportional to a multiparton distribution. Generalized parton distributions contain information on the longitudinal momentum and transverse position densities of partons in a hadron. Transverse charge densities are Fourier transforms of the electromagnetic form factors. I discuss the application of these methods to the QED electron, studying the form factors, charge densities and spin distributions of the leading order |e\gamma> Fock state in impact parameter and longitudinal momentum space. I show how the transverse shape of any virtual photon induced process, \gamma^*(q)+i -> f, may be measured. Qualitative arguments concerning the size of such transitions have been previously made in the literature, but without a precise analysis. Properly defined, the amplitudes and the cross section in impact parameter space provide information on the transverse shape of the transition process.