Technicolor

In technicolor theories the scalar sector of the Standard Model is replaced by a strongly interacting sector. Although the Standard Model has been exceptionally successful, the scalar sector causes theoretical problems that make these theories seem an attractive alternative. I begin my thesis by considering QCD, which is the known example of strong interactions. The theory exhibits two phenomena: confinement and chiral symmetry breaking. I find the low-energy dynamics to be similar to that of the sigma models. Then I analyze the problems of the Standard Model Higgs sector, mainly the unnaturalness and triviality. Motivated by the example of QCD, I introduce the minimal technicolor model to resolve these problems. I demonstrate the minimal model to be free of anomalies and then deduce the main elements of its low-energy particle spectrum. I find the particle spectrum contains massless or very light technipions, and also technibaryons and techni-vector mesons with a high mass of over 1 TeV. Standard Model fermions remain strictly massless at this stage. Thus I introduce the technicolor companion theory of flavor, called extended technicolor. I show that the Standard Model fermions and technihadrons receive masses, but that they remain too light. I also discuss flavor-changing neutral currents and precision electroweak measurements. I then show that walking technicolor models partly solve these problems. In these models, contrary to QCD, the coupling evolves slowly over a large energy scale. This behavior adds to the masses so that even the light technihadrons are too heavy to be detected at current particle accelerators. Also all observed masses of the Standard Model particles can be generated, except for the bottom and top quarks. Thus it is shown in this thesis that, excluding the masses of third generation quarks, theories based on walking technicolor can in principle produce the observed particle spectrum.

Effective models of two-flavor QCD: finite $\mu$ and $m_q$-dependence

We study effective models of chiral fields and Polyakov loop expected to describe the dynamics responsible for the phase structure of two-flavor QCD at finite temperature and density. We consider chiral sector described either using linear sigma model or Nambu-Jona-Lasinio model and study the phase diagram and determine the location of the critical point as a function of the explicit chiral symmetry breaking (i.e. the bare quark mass $m_q$). We also discuss the possible emergence of the quarkyonic phase in this model.

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.

Chemoenzymatic Synthesis of Chiral Organosulfur Compounds

This thesis is primarily concerned with the enzyme- catalysed synthesis of sulfoxides using reductase and dioxygenase enzymes. Chapter 1 provides an introduction to the topic of redox chemistry with particular emphasis on the application of reductase and dioxygenase enzymes in organosulfur chemistry. Earlier literature methods for the production of enantiopure sulfoxides are reviewed. A brief discussion of the methods used for the determination of enantiomeric excess and absolute configuration is provided. Chapter 2 contains results obtained using a range of whole-cell bacteria each using a dimethyl sulfoxide reductase enzyme. The synthesis of a series of racemic sulfoxides and the development of appropriate CSPHPLC analytical methods is discussed. Kinetic resolutions of a series of sulfoxides have been achieved. Chapter 3 contains a presentation of results using dioxygenase enzymes as biocatalysts for the asymmetric sulfoxidation of dialkyl sulfoxides including thioacetal sulfoxides. A new range of monosulfoxides, cis-dihydrodiols and cis- dihydrodiol sulfoxides have been isolated in enantiopure form. Chapter 4 is focussed on the application of chiral sulfoxides in synthesis. A new chemoenzymatic route to diol sulfoxide enantiomers and the derived enantiopure phenols and catechols is discussed. The application of chemically synthesised sulfoxide enantiomers in the production of hydroxy sulfoxides is reported. Chapter 5 provides a full experimental section where the synthesis of sulfides and racemic sulfoxides is included. The methods used in the isolation and characterisation of bioproducts from the biotransformation are discussed and full experimental details given.