Studies in quantum field theory at finite temperature

The thesis deals with certain quantum field systems exhibiting spontaneous symmetry breaking and their response to temperature. These models find application in diverse branches such as particle physics, solid state physics and non~linear optics. The nature of phase transition that these systems may undergo is also investigated. The thesis contains seven chapters. The first chapter is introductory and gives a brief account of the various phenomena associated with spontaneous symmetry breaking. The chapter closes with anote on the effect of temperature on quantum field systems. In chapter 2, the spontaneous symmetry breaking phenomena are reviewed in more detail. Chapter 3, deals with the formulation of ordinary and generalised sine-Gordon field theories on a lattice and the study of the nature of phase transition occurring in these systems. In chapter 4, the effect of temperature on these models is studied, using the effective potential method. Chapter 5 is a continuation of this study for another model, viz, the m6 model. The nature of phase transition is also studied. Chapters 5 and 6 constitute a report of the investigations on the behaviour of coupling constants under thermal excitation D1 $4 theory, scalar electrodynamics, abelian and non-abelian gauge theories

Scalar field theory at finite temperature in D=2+1

We discuss the phi(6) theory defined in D=2+1-dimensional space-time and assume that the system is in equilibrium with a thermal bath at temperature beta(-1). We use the 1/N expansion and the method of the composite operator (Cornwall, Jackiw, and Tomboulis) for summing a large set of Feynman graphs. We demonstrate explicitly the Coleman-Mermin-Wagner theorem at finite temperature.

Scalar field theory at finite temperature in D=2+1

We discuss the phi(6) theory defined in D = 2 + 1-dimensional space-time and assume that the system is in equilibrium with a thermal bath at temperature beta(-1). We use the 1/N expansion and the method of composite operator (CJT) for summing a large set of Feynman graphs. We demonstrate explicitly the Coleman-Mermin-Wagner theorem at finite temperature.

PP-wave light-cone free string field theory at finite temperature

In this paper, a real-time formulation of light-cone pp-wave string field theory at finite temperature is presented. This is achieved by developing the thermo field dynamics (TFD) formalism in a second quantized string scenario. The equilibrium thermodynamic quantities for a pp-wave ideal string gas are derived directly from expectation values on the second quantized string thermal vacuum. Also, we derive the real-time thermal pp-wave closed string propagator. In the flat space limit it is shown that this propagator can be written in terms of Theta functions, exactly as the zero temperature one. At the end, we show how superstrings interactions can be introduced, making this approach suitable to study the BMN dictionary at finite temperature.

Applicability of the linear delta expansion for the lambda phi(4) field theory at finite temperature in the symmetric and broken phases

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

ANOMALIES IN CURVED SPACETIME AT FINITE TEMPERATURE

We discuss the problem of the breakdown of conformal and gauge symmetries at finite temperature in curved-spacetime background, when the changes in the background are gradual, in order to have a well-defined quantum field theory at finite temperature. We obtain the expressions for Seeley's coefficients and the heat-kernel expansion in this regime. As applications, we consider the self-interacting lambdaphi4 and chiral Schwinger models in curved backgrounds at finite temperature.

Influence of the driving mechanism on the response of systems with athermal dynamics: The example of the random-field Ising model

We investigate the influence of the driving mechanism on the hysteretic response of systems with athermal dynamics. In the framework of local mean-field theory at finite temperature (but neglecting thermally activated processes), we compare the rate-independent hysteresis loops obtained in the random field Ising model when controlling either the external magnetic field H or the extensive magnetization M. Two distinct behaviors are observed, depending on disorder strength. At large disorder, the H-driven and M-driven protocols yield identical hysteresis loops in the thermodynamic limit. At low disorder, when the H-driven magnetization curve is discontinuous (due to the presence of a macroscopic avalanche), the M-driven loop is reentrant while the induced field exhibits strong intermittent fluctuations and is only weakly self-averaging. The relevance of these results to the experimental observations in ferromagnetic materials, shape memory alloys, and other disordered systems is discussed.

Variational Wigner-Kirkwood approach to relativistic mean field theory

The recently developed variational Wigner-Kirkwood approach is extended to the relativistic mean field theory for finite nuclei. A numerical application to the calculation of the surface energy coefficient in semi-infinite nuclear matter is presented. The new method is contrasted with the standard density functional theory and the fully quantal approach.

Bose-Einstein condensation and free DKP field

The thermodynamical partition function of the Duffin-Kemmer-Petiau theory is evaluated using the imaginary-time formalism of quantum field theory at finite temperature and path integral methods. The DKP partition function displays two features: (i) full equivalence with the partition function for charged scalar particles and charged massive spin 1 particles; and (ii) the zero mode sector which is essential to reproduce the well-known relativistic Bose-Einstein condensation for both theories. (C) 2003 Published by Elsevier B.V.

Teoria quântica de campos para férmions interagentes no plano a temperatura e potencial químico finitos, na presença de um campo magnético externo oblíquo

Neste trabalho, os efeitos de um campo magnético oblíquo externo no modelo de Gross- Neveu (2+1)-dimensional, que inclui as componentes paralela e perpendicular do campo em relação ao sistema, são estudados no contexto da simetria quiral e discreta do modelo. Nosso principal interesse está nos efeitos deste campo sobre o diagrama de fase do sistema, onde também incluímos os efeitos combinados de temperatura e potencial químico. Os diagramas de fase são obtidos através do potencial efetivo a 1 loop para o modelo, derivado em primeira ordem na expansão 1=N. Transições de fase relevantes que podem ser estudadas através deste modelo são, por exemplo, metal-isolante em matéria condensada e na teoria quântica de campos de férmions planares em geral. A relação entre a transição de fase com quebra da simetria quiral e discreta e o surgimento de um gap (ou a presença de um valor esperado no vácuo do campo escalar diferente de zero), como função do campo magnético oblíquo, é analisada em detalhes.

Tópicos de teoria de campos com aplicações a condensados de Bose-Einstein

A tese de doutorado apresenta uma aplicação de técnicas de teoria de campos em um sistema da matéria condensada. Motivados por experimentos em gases atômicos, apresentamos um estudo sobre misturas binárias de gases atômicos na presença de uma interação do tipo Josephson. O foco principal é o estudo de um modelo de dois campos complexos não-relativisticos com simetria O(2). Esta simetria é quebrada por interações que produzem um desbalanço nas populações das duas espécies bosônicas. Estudamos o modelo na aproximação de campo médio mais flutuações gaussianas, usando o formalismo de teoria de campos a temperatura finita em tempo imaginário. Os resultados mostram que, num certo intervalo de temperaturas, as duas espécies bosônicas condensam à mesma temperatura crítica e a fase relativa do condensado é fixa, determinada pela fase do campo externo aplicado.

Modelo de Ginzburg-Landau a partir da teoria de campos a temperatura finita

Neste trabalho, utilizamos o formalismo de teorias quânticas de campos a temperatura finita, tal como desenvolvidas por Matsubara, aplicado a uma hamiltoniana de N campos escalares com autointeração quártica a N grande. Obtém-se uma expressão, na primeira aproximação quântica, para o coeficiente do termo quadrático da hamiltoniana ("massa quadrada"), renormalizado, como função da temperatura. A partir dela, estudamos o processo de quebra espontânea de simetria. Por outro lado, a mesma hamiltoniana é conhecida como modelo de Ginzburg-Landau na literatura de matéria condensada, e que permite o estudo de transições de fase em materiais ferromagnéticos. A temperatura é introduzida através do termo quadrático na hamiltoniana, de forma linear: é proporcional à diferença entre a variável de temperatura e a temperatura crítica. Tal modelo, porém, possui validade apenas na regi~ao de temperaturas próximas à criticalidade. Como resultado de nossos cálculos na teoria de campos a temperatura finita, observamos que, numa faixa de valores em torno da temperatura crítica, a massa quadrática pode ser aproximada por uma relação linear em relação à variável de temperatura. Isso evidencia a compatibilidade da abordagem de Ginzburg-Landau, na vizinhança da criticalidade, com respeito ao formalismo de campos a temperatura finita. Discutimos também os efeitos causados pela presença de um potencial químico no sistema.