One-loop quantum gravity in arbitrary dimensions

In the context of perturbative quantum gravity, the first three Seeley-DeWitt coefficients represent the counterterms needed to renormalize the graviton one-loop effective action in $D=4$ dimensions. A standard procedure to compute them is by means of the traditional heat kernel method. However, these coefficients can be studied also from a first quantization perspective through the so-called $\mathcal{N} = 4$ spinning particle model. It relies on four supersymmetries on the worldline and a set of worldline gauge invariances. In the present work, a different worldline model, able to reproduce correctly the Seeley-DeWitt coefficients in arbitrary dimensions, is developed. After a covariant gauge-fixing procedure of the Einstein-Hilbert action with cosmological constant, a worldline representation of the kinetic operators identified by its quadratic approximation is found. This quantum mechanical representation can be presented in different but equivalent forms. Some of these different forms are discussed and their equivalence is verified by deriving the gauge invariant counterterms needed to renormalize quantum gravity with cosmological constant at one-loop.

Heat kernel and worldline path integrals for the Proca theory

In this thesis we study the heat kernel, a useful tool to analyze various properties of different quantum field theories. In particular, we focus on the study of the one-loop effective action and the application of worldline path integrals to derive perturbatively the heat kernel coefficients for the Proca theory of massive vector fields. It turns out that the worldline path integral method encounters some difficulties if the differential operator of the heat kernel is of non-minimal kind. More precisely, a direct recasting of the differential operator in terms of worldline path integrals, produces in the classical action a non-perturbative vertex and the path integral cannot be solved. In this work we wish to find ways to circumvent this issue and to give a suggestion to solve similar problems in other contexts.

Bouncing black holes in loop quantum gravity

In questo lavoro viene presentato un recente modello di buco nero che implementa le proprietà quantistiche di quelle regioni dello spaziotempo dove non possono essere ignorate, pena l'implicazione di paradossi concettuali e fenomenologici. In suddetto modello, la regione di spaziotempo dominata da comportamenti quantistici si estende oltre l'orizzonte del buco nero e suscita un'inversione, o più precisamente un effetto tunnel, della traiettoria di collasso della stella in una traiettoria di espansione simmetrica nel tempo. L'inversione impiega un tempo molto lungo per chi assiste al fenomeno a grandi distanze, ma inferiore al tempo di evaporazione del buco nero tramite radiazione di Hawking, trascurata e considerata come un effetto dissipativo da studiarsi in un secondo tempo. Il resto dello spaziotempo, fuori dalla regione quantistica, soddisfa le equazioni di Einstein. Successivamente viene presentata la teoria della Gravità Quantistica a Loop (LQG) che permetterebbe di studiare la dinamica della regione quantistica senza far riferimento a una metrica classica, ma facendo leva sul contenuto relazionale del tessuto spaziotemporale. Il campo gravitazionale viene riformulato in termini di variabili hamiltoniane in uno spazio delle fasi vincolato e con simmetria di gauge, successivamente promosse a operatori su uno spazio di Hilbert legato a una vantaggiosa discretizzazione dello spaziotempo. La teoria permette la definizione di un'ampiezza di transizione fra stati quantistici di geometria spaziotemporale, applicabile allo studio della regione quantistica nel modello di buco nero proposto. Infine vengono poste le basi per un calcolo in LQG dell'ampiezza di transizione del fenomeno di rimbalzo quantistico all'interno del buco nero, e di conseguenza per un calcolo quantistico del tempo di rimbalzo nel riferimento di osservatori statici a grande distanza da esso, utile per trattare a posteriori un modello che tenga conto della radiazione di Hawking e, auspicatamente, fornisca una possibile risoluzione dei problemi legati alla sua esistenza.

Quantum field theory of (p,0)-forms on kaehler manifolds

In questa tesi abbiamo studiato la quantizzazione di una teoria di gauge di forme differenziali su spazi complessi dotati di una metrica di Kaehler. La particolarità di queste teorie risiede nel fatto che esse presentano invarianze di gauge riducibili, in altre parole non indipendenti tra loro. L'invarianza sotto trasformazioni di gauge rappresenta uno dei pilastri della moderna comprensione del mondo fisico. La caratteristica principale di tali teorie è che non tutte le variabili sono effettivamente presenti nella dinamica e alcune risultano essere ausiliarie. Il motivo per cui si preferisce adottare questo punto di vista è spesso il fatto che tali teorie risultano essere manifestamente covarianti sotto importanti gruppi di simmetria come il gruppo di Lorentz. Uno dei metodi più usati nella quantizzazione delle teorie di campo con simmetrie di gauge, richiede l'introduzione di campi non fisici detti ghosts e di una simmetria globale e fermionica che sostituisce l'iniziale invarianza locale di gauge, la simmetria BRST. Nella presente tesi abbiamo scelto di utilizzare uno dei più moderni formalismi per il trattamento delle teorie di gauge: il formalismo BRST Lagrangiano di Batalin-Vilkovisky. Questo metodo prevede l'introduzione di ghosts per ogni grado di riducibilità delle trasformazioni di gauge e di opportuni “antifields" associati a ogni campo precedentemente introdotto. Questo formalismo ci ha permesso di arrivare direttamente a una completa formulazione in termini di path integral della teoria quantistica delle (p,0)-forme. In particolare esso permette di dedurre correttamente la struttura dei ghost della teoria e la simmetria BRST associata. Per ottenere questa struttura è richiesta necessariamente una procedura di gauge fixing per eliminare completamente l'invarianza sotto trasformazioni di gauge. Tale procedura prevede l'eliminazione degli antifields in favore dei campi originali e dei ghosts e permette di implementare, direttamente nel path integral condizioni di gauge fixing covarianti necessari per definire correttamente i propagatori della teoria. Nell'ultima parte abbiamo presentato un’espansione dell’azione efficace (euclidea) che permette di studiare le divergenze della teoria. In particolare abbiamo calcolato i primi coefficienti di tale espansione (coefficienti di Seeley-DeWitt) tramite la tecnica dell'heat kernel. Questo calcolo ha tenuto conto dell'eventuale accoppiamento a una metrica di background cosi come di un possibile ulteriore accoppiamento alla traccia della connessione associata alla metrica.

Tensorial group field theories

In questa tesi il Gruppo di Rinormalizzazione non-perturbativo (FRG) viene applicato ad una particolare classe di modelli rilevanti in Gravit`a quantistica, conosciuti come Tensorial Group Field Theories (TGFT). Le TGFT sono teorie di campo quantistiche definite sulla variet`a di un gruppo G. In ogni dimensione esse possono essere espanse in grafici di Feynman duali a com- plessi simpliciali casuali e sono caratterizzate da interazioni che implementano una non-localit`a combinatoriale. Le TGFT aspirano a generare uno spaziotempo in un contesto background independent e precisamente ad ottenere una descrizione con- tinua della sua geometria attraverso meccanismi fisici come le transizioni di fase. Tra i metodi che meglio affrontano il problema di estrarre le transizioni di fase e un associato limite del continuo, uno dei pi` u efficaci `e il Gruppo di Rinormalizzazione non-perturbativo. In questo elaborato ci concentriamo su TGFT definite sulla variet`a di un gruppo non-compatto (G = R) e studiamo il loro flusso di Rinormalizzazione. Identifichiamo con successo punti fissi del flusso di tipo IR, e una superficie critica che suggerisce la presenza di transizioni di fase in regime Infrarosso. Ci`o spinge ad uno stu- dio per approfondire la comprensione di queste transizioni di fase e della fisica continua che vi `e associata. Affrontiamo inoltre il problema delle divergenze Infrarosse, tramite un processo di regolarizzazione che definisce il limite termodinamico appropriato per le TGFT. Infine, applichiamo i metodi precedentementi sviluppati ad un modello dotato di proiezione sull’insieme dei campi gauge invarianti. L’analisi, simile a quella applicata al modello precedente, conduce nuovamente all’identificazione di punti fissi (sia IR che UV) e di una superficie critica. La presenza di transizioni di fasi `e, dunque, evidente ancora una volta ed `e possibile confrontare il risultato col modello senza proiezione sulla dinamica gauge invariante.

Planck stars: theory and phenomenology

General Relativity (GR) is one of the greatest scientific achievements of the 20th century along with quantum theory. Despite the elegance and the accordance with experimental tests, these two theories appear to be utterly incompatible at fundamental level. Black holes provide a perfect stage to point out these difficulties. Indeed, classical GR fails to describe Nature at small radii, because nothing prevents quantum mechanics from affecting the high curvature zone, and because classical GR becomes ill-defined at r = 0 anyway. Rovelli and Haggard have recently proposed a scenario where a negative quantum pressure at the Planck scales stops and reverts the gravitational collapse, leading to an effective “bounce” and explosion, thus resolving the central singularity. This scenario, called Black Hole Fireworks, has been proposed in a semiclassical framework. The purpose of this thesis is twofold: - Compute the bouncing time by means of a pure quantum computation based on Loop Quantum Gravity; - Extend the known theory to a more realistic scenario, in which the rotation is taken into account by means of the Newman-Janis Algorithm.

Hidden Schrödinger symmetry in FLRW and Bianchi I minisuperspace models of cosmology and black holes Schwarzschild dynamics

A broad sector of literature focuses on the relationship between fluid dynamics and gravitational systems. This thesis presents results that suggest the existence of a new kind of fluid/gravity duality not based on the holographic principle. The goal is to provide tools that allow us to systematically unearth hidden symmetries for reduced models of cosmology. The focus is on the field space of these models, i.e. the superspace. In fact, conformal isometries of the supermetric leave geodesics in the field space unaltered; this leads to symmetries of the models. An innovative aspect is the use of the Eisenhart-Duval’s lift. Using this method, systems constrained by a potential can be treated as free ones. Moreover, charges explicitly dependent on time, i.e. dynamical, can be found. A detailed analysis is carried out on three basic models of homogenous cosmology: i) flat Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker’s isotropic universe filled with a massless scalar field; ii) Schwarzschild’s black hole mechanics and its extension to vacuum (A)dS gravity; iii) Bianchi’s anisotropic type I universe with a massless scalar field. The results show the presence of a hidden Schrödinger’s symmetry which, being intrinsic to both Navier-Stokes’ and Schrödinger’s equations, indicates a correspondence between cosmology and hydrodynamics. Furthermore, the central extension of this algebra explicitly relates two concepts. The first is the number of particles coming from the fluid picture; while the second is the ratio between the IR and UV cutoffs that weighs how much a theory has of “classical” over “quantum”. This suggests a spacetime that emerges from an underlying world which is described by quantum building blocks. These quanta statistically conspire to appear as gravitational phenomena from a macroscopic point of view.

Quantum solitons in the XXZ model with staggered external magnetic field

The 1-D 1/2-spin XXZ model with staggered external magnetic field, when restricting to low field, can be mapped into the quantum sine-Gordon model through bosonization: this assures the presence of soliton, antisoliton and breather excitations in it. In particular, the action of the staggered field opens a gap so that these physical objects are stable against energetic fluctuations. In the present work, this model is studied both analytically and numerically. On the one hand, analytical calculations are made to solve exactly the model through Bethe ansatz: the solution for the XX + h staggered model is found first by means of Jordan-Wigner transformation and then through Bethe ansatz; after this stage, efforts are made to extend the latter approach to the XXZ + h staggered model (without finding its exact solution). On the other hand, the energies of the elementary soliton excitations are pinpointed through static DMRG (Density Matrix Renormalization Group) for different values of the parameters in the hamiltonian. Breathers are found to be in the antiferromagnetic region only, while solitons and antisolitons are present both in the ferromagnetic and antiferromagnetic region. Their single-site z-magnetization expectation values are also computed to see how they appear in real space, and time-dependent DMRG is employed to realize quenches on the hamiltonian parameters to monitor their time-evolution. The results obtained reveal the quantum nature of these objects and provide some information about their features. Further studies and a better understanding of their properties could bring to the realization of a two-level state through a soliton-antisoliton pair, in order to implement a qubit.

Black holes as quantum bound states

We present a new quantum description for the Oppenheimer-Snyder model of gravitational collapse of a ball of dust. Starting from the geodesic equation for dust in spherical symmetry, we introduce a time-independent Schrödinger equation for the radius of the ball. The resulting spectrum is similar to that of the Hydrogen atom and Newtonian gravity. However, the non-linearity of General Relativity implies that the ground state is characterised by a principal quantum number proportional to the square of the ADM mass of the dust. For a ball with ADM mass much larger than the Planck scale, the collapse is therefore expected to end in a macroscopically large core and the singularity predicted by General Relativity is avoided. Mathematical properties of the spectrum are investigated and the ground state is found to have support essentially inside the gravitational radius, which makes it a quantum model for the matter core of Black Holes. In fact, the scaling of the ADM mass with the principal quantum number agrees with the Bekenstein area law and the corpuscular model of Black Holes. Finally, the uncertainty on the size of the ground state is interpreted within the framework of an Uncertainty Principle.

An introduction to scalar-tensor gravity: theory and experiment in the Brans-Dicke model

Le teorie della gravità scalare-tensore sono una classe di teorie alternative alla rel- atività generale in cui l’interazione gravitazionale è descritta sia dalla metrica, sia da un campo scalare. Ne costituisce un esempio caratteristico la teoria di Brans-Dicke, in- trodotta come estensione della relatività generale in modo da renderla conforme con il principio di Mach. Il presente lavoro di tesi è volto a presentare un’analisi di questa teoria nei suoi aspetti principali, studiandone i fondamenti teorici e il modello cosmologico derivante, sottolineandone inoltre i limiti e le criticità; in seguito vengono esposti i risultati degli esperimenti fino ad ora svolti per verificare fondamenti e previsioni del modello.