Philosophy of quantum field theory: an introduction with interviews and comments

In this thesis, I address quantum theories and specifically quantum field theories in their interpretive aspects, with the aim of capturing some of the most controversial and challenging issues, also in relation to possible future developments of physics. To do so, I rely on and review some of the discussions carried on in philosophy of physics, highlighting methodologies and goals. This makes the thesis an introduction to these discussions. Based on these arguments, I built and conducted 7 face-to-face interviews with physics professors and an online survey (which received 88 responses from master's and PhD students and postdoctoral researchers in physics), with the aim of understanding how physicists make sense of concepts related to quantum theories and to find out what they can add to the discussion. Of the data collected, I report a qualitative analysis through three constructed themes.

Perturbations of black p-branes

We consider black p-brane solutions of the low-energy string action, computing scalar perturbations. Using standard methods, we derive the wave equations obeyed by the perturbations and treat them analytically and numerically. We have found that tensorial perturbations obtained via a gauge-invariant formalism leads to the same results as scalar perturbations. No instability has been found. Asymptotically, these solutions typically reduce to a AdSd((p+2)) x Sd((8-p)) space which, in the framework of Maldacena's conjecture, can be regarded as a gravitational dual to a conformal field theory defined in a (p+1)-dimensional flat space-time. The results presented open the possibility of a better understanding the AdS/CFT correspondence, as originally formulated in terms of the relation among brane structures and gauge theories.

Twisted parafermions

A new type of nonlocal currents (quasi-particles), which we call twisted parafermions, and its corresponding twisted Z-algebra are found. The system consists of one spin-1 bosonic field and six nonlocal fields of fractional spins. Jacobi-type identities for the twisted parafermions are derived, and a new conformal field theory is constructed from these currents. As an application, a parafermionic representation of the twisted affine current algebra A(2)((2)) is given.

What is the Jacobian of a Riemann surface with boundary?

We define the Jacobian of a Riemann surface with analytically parametrized boundary components. These Jacobians belong to a moduli space of "open abelian varieties" which satisfies gluing axioms similar to those of Riemann surfaces, and therefore allows a notion of "conformal field theory" to be defined on this space. We further prove that chiral conformal field theories corresponding to even lattices factor through this moduli space of open abelian varieties.

Homotopy Batalin-Vilkovisky algebras

This paper provides an explicit cofibrant resolution of the operad encoding Batalin-Vilkovisky algebras. Thus it defines the notion of homotopy Batalin-Vilkovisky algebras with the required homotopy properties. To define this resolution we extend the theory of Koszul duality to operads and properads that are defined by quadratic and linear relations. The operad encoding Batalin-Vilkovisky algebras is shown to be Koszul in this sense. This allows us to prove a Poincaré-Birkhoff-Witt Theorem for such an operad and to give an explicit small quasi-free resolution for it. This particular resolution enables us to describe the deformation theory and homotopy theory of BV-algebras and of homotopy BV-algebras. We show that any topological conformal field theory carries a homotopy BV-algebra structure which lifts the BV-algebra structure on homology. The same result is proved for the singular chain complex of the double loop space of a topological space endowed with an action of the circle. We also prove the cyclic Deligne conjecture with this cofibrant resolution of the operad BV. We develop the general obstruction theory for algebras over the Koszul resolution of a properad and apply it to extend a conjecture of Lian-Zuckerman, showing that certain vertex algebras have an explicit homotopy BV-algebra structure.

Homotopy Batalin-Vilkovisky algebras

This paper provides an explicit cofibrant resolution of the operad encoding Batalin-Vilkovisky algebras. Thus it defines the notion of homotopy Batalin-Vilkovisky algebras with the required homotopy properties. To define this resolution we extend the theory of Koszul duality to operads and properads that are defind by quadratic and linear relations. The operad encoding Batalin-Vilkovisky algebras is shown to be Koszul in this sense. This allows us to prove a Poincare-Birkhoff-Witt Theorem for such an operad and to give an explicit small quasi-free resolution for it. This particular resolution enables us to describe the deformation theory and homotopy theory of BV-algebras and of homotopy BV-algebras. We show that any topological conformal field theory carries a homotopy BV-algebra structure which lifts the BV-algebra structure on homology. The same result is proved for the singular chain complex of the double loop space of a topological space endowed with an action of the circle. We also prove the cyclic Deligne conjecture with this cofibrant resolution of the operad BV. We develop the general obstruction theory for algebras over the Koszul resolution of a properad and apply it to extend a conjecture of Lian-Zuckerman, showing that certain vertex algebras have an explicit homotopy BV-algebra structure.

Large N phases, gravitational instantons and the nuts and bolts of AdS holography

Recent results in the literature concerning holography indicate that the thermodynamics of quantum gravity (at least with a negative cosmological constant) can be modeled by the large N thermodynamics of quantum field theory. We emphasize that this suggests a completely unitary evolution of processes in quantum gravity, including black hole formation and decay, and even more extreme examples involving topology change. As concrete examples which show that this correspondence holds even when the space-time is only locally asymptotically AdS, we compute the thermodynamical phase structure of the AdS-Taub-NUT and AdS-Taub-bolt spacetimes, and compare them to a (2+1)-dimensional conformal field theory (at large N) compactified on a squashed three-sphere and on the twisted plane.

Quantization of AdS3 black holes in external fields: semiclassical results from pure gravity

(2+1)-dimensional anti-de Sitter (AdS) gravity is quantized in the presence of an external scalar field. We find that the coupling between the scalar field and gravity is equivalently described by a perturbed conformal field theory at the boundary of AdS3. This allows us to perform a microscopic computation of the transition rates between black hole states due to absorption and induced emission of the scalar field. Detailed thermodynamic balance then yields Hawking radiation as spontaneous emission, and we find agreement with the semiclassical result, including greybody factors. This result also has application to four and five-dimensional black holes in supergravity.

Équations différentielles issues des vecteurs singuliers des représentations de l'algèbre de Virasoro

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

La structure de Jordan des matrices de transfert des modèles de boucles et la relation avec les hamiltoniens XXZ

Les modèles sur réseau comme ceux de la percolation, d’Ising et de Potts servent à décrire les transitions de phase en deux dimensions. La recherche de leur solution analytique passe par le calcul de la fonction de partition et la diagonalisation de matrices de transfert. Au point critique, ces modèles statistiques bidimensionnels sont invariants sous les transformations conformes et la construction de théories des champs conformes rationnelles, limites continues des modèles statistiques, permet un calcul de la fonction de partition au point critique. Plusieurs chercheurs pensent cependant que le paradigme des théories des champs conformes rationnelles peut être élargi pour inclure les modèles statistiques avec des matrices de transfert non diagonalisables. Ces modèles seraient alors décrits, dans la limite d’échelle, par des théories des champs logarithmiques et les représentations de l’algèbre de Virasoro intervenant dans la description des observables physiques seraient indécomposables. La matrice de transfert de boucles D_N(λ, u), un élément de l’algèbre de Temperley- Lieb, se manifeste dans les théories physiques à l’aide des représentations de connectivités ρ (link modules). L’espace vectoriel sur lequel agit cette représentation se décompose en secteurs étiquetés par un paramètre physique, le nombre d de défauts. L’action de cette représentation ne peut que diminuer ce nombre ou le laisser constant. La thèse est consacrée à l’identification de la structure de Jordan de D_N(λ, u) dans ces représentations. Le paramètre β = 2 cos λ = −(q + 1/q) fixe la théorie : β = 1 pour la percolation et √2 pour le modèle d’Ising, par exemple. Sur la géométrie du ruban, nous montrons que D_N(λ, u) possède les mêmes blocs de Jordan que F_N, son plus haut coefficient de Fourier. Nous étudions la non diagonalisabilité de F_N à l’aide des divergences de certaines composantes de ses vecteurs propres, qui apparaissent aux valeurs critiques de λ. Nous prouvons dans ρ(D_N(λ, u)) l’existence de cellules de Jordan intersectorielles, de rang 2 et couplant des secteurs d, d′ lorsque certaines contraintes sur λ, d, d′ et N sont satisfaites. Pour le modèle de polymères denses critique (β = 0) sur le ruban, les valeurs propres de ρ(D_N(λ, u)) étaient connues, mais les dégénérescences conjecturées. En construisant un isomorphisme entre les modules de connectivités et un sous-espace des modules de spins du modèle XXZ en q = i, nous prouvons cette conjecture. Nous montrons aussi que la restriction de l’hamiltonien de boucles à un secteur donné est diagonalisable et trouvons la forme de Jordan exacte de l’hamiltonien XX, non triviale pour N pair seulement. Enfin nous étudions la structure de Jordan de la matrice de transfert T_N(λ, ν) pour des conditions aux frontières périodiques. La matrice T_N(λ, ν) a des blocs de Jordan intrasectoriels et intersectoriels lorsque λ = πa/b, et a, b ∈ Z×. L’approche par F_N admet une généralisation qui permet de diagnostiquer des cellules intersectorielles dont le rang excède 2 dans certains cas et peut croître indéfiniment avec N. Pour les blocs de Jordan intrasectoriels, nous montrons que les représentations de connectivités sur le cylindre et celles du modèle XXZ sont isomorphes sauf pour certaines valeurs précises de q et du paramètre de torsion v. En utilisant le comportement de la transformation i_N^d dans un voisinage des valeurs critiques (q_c, v_c), nous construisons explicitement des vecteurs généralisés de Jordan de rang 2 et discutons l’existence de blocs de Jordan intrasectoriels de plus haut rang.

Exposants géométriques des modèles de boucles dilués et idempotents des TL-modules de la chaîne de spins XXZ

Cette thèse porte sur les phénomènes critiques survenant dans les modèles bidimensionnels sur réseau. Les résultats sont l'objet de deux articles : le premier porte sur la mesure d'exposants critiques décrivant des objets géométriques du réseau et, le second, sur la construction d'idempotents projetant sur des modules indécomposables de l'algèbre de Temperley-Lieb pour la chaîne de spins XXZ. Le premier article présente des expériences numériques Monte Carlo effectuées pour une famille de modèles de boucles en phase diluée. Baptisés "dilute loop models (DLM)", ceux-ci sont inspirés du modèle O(n) introduit par Nienhuis (1990). La famille est étiquetée par les entiers relativement premiers p et p' ainsi que par un paramètre d'anisotropie. Dans la limite thermodynamique, il est pressenti que le modèle DLM(p,p') soit décrit par une théorie logarithmique des champs conformes de charge centrale c(\kappa)=13-6(\kappa+1/\kappa), où \kappa=p/p' est lié à la fugacité du gaz de boucles \beta=-2\cos\pi/\kappa, pour toute valeur du paramètre d'anisotropie. Les mesures portent sur les exposants critiques représentant la loi d'échelle des objets géométriques suivants : l'interface, le périmètre externe et les liens rouges. L'algorithme Metropolis-Hastings employé, pour lequel nous avons introduit de nombreuses améliorations spécifiques aux modèles dilués, est détaillé. Un traitement statistique rigoureux des données permet des extrapolations coïncidant avec les prédictions théoriques à trois ou quatre chiffres significatifs, malgré des courbes d'extrapolation aux pentes abruptes. Le deuxième article porte sur la décomposition de l'espace de Hilbert \otimes^nC^2 sur lequel la chaîne XXZ de n spins 1/2 agit. La version étudiée ici (Pasquier et Saleur (1990)) est décrite par un hamiltonien H_{XXZ}(q) dépendant d'un paramètre q\in C^\times et s'exprimant comme une somme d'éléments de l'algèbre de Temperley-Lieb TL_n(q). Comme pour les modèles dilués, le spectre de la limite continue de H_{XXZ}(q) semble relié aux théories des champs conformes, le paramètre q déterminant la charge centrale. Les idempotents primitifs de End_{TL_n}\otimes^nC^2 sont obtenus, pour tout q, en termes d'éléments de l'algèbre quantique U_qsl_2 (ou d'une extension) par la dualité de Schur-Weyl quantique. Ces idempotents permettent de construire explicitement les TL_n-modules indécomposables de \otimes^nC^2. Ceux-ci sont tous irréductibles, sauf si q est une racine de l'unité. Cette exception est traitée séparément du cas où q est générique. Les problèmes résolus par ces articles nécessitent une grande variété de résultats et d'outils. Pour cette raison, la thèse comporte plusieurs chapitres préparatoires. Sa structure est la suivante. Le premier chapitre introduit certains concepts communs aux deux articles, notamment une description des phénomènes critiques et de la théorie des champs conformes. Le deuxième chapitre aborde brièvement la question des champs logarithmiques, l'évolution de Schramm-Loewner ainsi que l'algorithme de Metropolis-Hastings. Ces sujets sont nécessaires à la lecture de l'article "Geometric Exponents of Dilute Loop Models" au chapitre 3. Le quatrième chapitre présente les outils algébriques utilisés dans le deuxième article, "The idempotents of the TL_n-module \otimes^nC^2 in terms of elements of U_qsl_2", constituant le chapitre 5. La thèse conclut par un résumé des résultats importants et la proposition d'avenues de recherche qui en découlent.

Quantum current algebra for the AdS(5) x S(5) superstring

The sigma model describing the dynamics of the superstring in the AdS(5) x S(5) background can be constructed using the coset PSU(2, 2 vertical bar 4)/SO(4, 1) x SO(5). A basic set of operators in this two dimensional conformal field theory is composed by the left invariant currents. Since these currents are not (anti) holomorphic, their OPE`s is not determined by symmetry principles and its computation should be performed perturbatively. Using the pure spinor sigma model for this background, we compute the one-loop correction to these OPE`s. We also compute the OPE`s of the left invariant currents with the energy momentum tensor at tree level and one loop.

Static Hopfions in the extended Skyrme-Faddeev model

We construct static soliton solutions with non-zero Hopf topological charges to a theory which is an extension of the Skyrme-Faddeev model by the addition of a further quartic term in derivatives. We use an axially symmetric ansatz based on toroidal coordinates, and solve the resulting two coupled non-linear partial differential equations in two variables by a successive over-relaxation (SOR) method. We construct numerical solutions with Hopf charge up to four, and calculate their analytical behavior in some limiting cases. The solutions present an interesting behavior under the changes of a special combination of the coupling constants of the quartic terms. Their energies and sizes tend to zero as that combination approaches a particular special value. We calculate the equivalent of the Vakulenko and Kapitanskii energy bound for the theory and find that it vanishes at that same special value of the coupling constants. In addition, the model presents an integrable sector with an in finite number of local conserved currents which apparently are not related to symmetries of the action. In the intersection of those two special sectors the theory possesses exact vortex solutions (static and time dependent) which were constructed in a previous paper by one of the authors. It is believed that such model describes some aspects of the low energy limit of the pure SU(2) Yang-Mills theory, and our results may be important in identifying important structures in that strong coupling regime.

N=2 sigma models for Ramond-Ramond backgrounds

Using the U(4) hybrid formalism, manifestly N = (2,2) worldsheet supersymmetric sigma models are constructed for the type-IIB superstring in Ramond-Ramond backgrounds. The Kahler potential in these N = 2 sigma models depends on four chiral and antichiral bosonic superfields and two chiral and antichiral fermionic superfields. When the Kahler potential is quadratic, the model is a free conformal field theory which describes a flat ten-dimensional target space with Ramond-Ramond flux and non-constant dilaton. For more general Kahler potentials, the model describes curved target spaces with Ramond-Ramond flux that are not plane-wave backgrounds. Ricci-flatness of the Kahler metric implies the on-shell conditions for the background up to the usual four-loop conformal anomaly.

Multitrace operators and the generalized AdS/CFT prescription

We show that multitrace interactions can be consistently incorporated into an extended AdS conformal field theory (CFT) prescription involving the inclusion of generalized boundary conditions and a modified Legendre transform prescription. We find new and consistent results by considering a self-contained formulation which relates the quantization of the bulk theory to the AdS/CFT correspondence and the perturbation at the boundary by double-trace interactions. We show that there exist particular double-trace perturbations for which irregular modes are allowed to propagate as well as the regular ones. We perform a detailed analysis of many different possible situations, for both minimally and nonminimally coupled cases. In all situations, we make use of a new constraint which is found by requiring consistency. In the particular nonminimally coupled case, the natural extension of the Gibbons-Hawking surface term is generated.