Eletrodinâmica quântica generalizada a la teoria de perturbação causal

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Simetria quiral: fótons, píons e núcleons

Pós-graduação em Física - IFT

Fluxo do grupo de renormalização dos modelos-'alfa' e as álgebras de Lie contínuas

Pós-graduação em Física - IFT

Dirac fermions in strong electric field and quantum transport in graphene

Our previous results on the nonperturbative calculations of the mean current and of the energy-momentum tensor in QED with the T-constant electric field are generalized to arbitrary dimensions. The renormalized mean values are found, and the vacuum polarization contributions and particle creation contributions to these mean values are isolated in the large T limit; we also relate the vacuum polarization contributions to the one-loop effective Euler-Heisenberg Lagrangian. Peculiarities in odd dimensions are considered in detail. We adapt general results obtained in 2 + 1 dimensions to the conditions which are realized in the Dirac model for graphene. We study the quantum electronic and energy transport in the graphene at low carrier density and low temperatures when quantum interference effects are important. Our description of the quantum transport in the graphene is based on the so-called generalized Furry picture in QED where the strong external field is taken into account nonperturbatively; this approach is not restricted to a semiclassical approximation for carriers and does not use any statistical assumptions inherent in the Boltzmann transport theory. In addition, we consider the evolution of the mean electromagnetic field in the graphene, taking into account the backreaction of the matter field to the applied external field. We find solutions of the corresponding Dirac-Maxwell set of equations and with their help we calculate the effective mean electromagnetic field and effective mean values of the current and the energy-momentum tensor. The nonlinear and linear I-V characteristics experimentally observed in both low-and high-mobility graphene samples are quite well explained in the framework of the proposed approach, their peculiarities being essentially due to the carrier creation from the vacuum by the applied electric field. DOI: 10.1103/PhysRevD.86.125022

Effective potential for Horava-Lifshitz-like theories

We study the one-loop effective potential for some Horava-Lifshitz-like theories.

No-pole condition in Landau gauge: Properties of the Gribov ghost form factor and a constraint on the 2d gluon propagator

We study general properties of the Landau-gauge Gribov ghost form factor sigma(p(2)) for SU(N-c) Yang-Mills theories in the d-dimensional case. We find a qualitatively different behavior for d = 3, 4 with respect to the d = 2 case. In particular, considering any (sufficiently regular) gluon propagator D(p(2)) and the one-loop-corrected ghost propagator, we prove in the 2d case that the function sigma(p(2)) blows up in the infrared limit p -> 0 as -D(0) ln(p(2)). Thus, for d = 2, the no-pole condition sigma(p(2)) < 1 (for p(2) > 0) can be satisfied only if the gluon propagator vanishes at zero momentum, that is, D(0) = 0. On the contrary, in d = 3 and 4, sigma(p(2)) is finite also if D(0) > 0. The same results are obtained by evaluating the ghost propagator G(p(2)) explicitly at one loop, using fitting forms for D(p(2)) that describe well the numerical data of the gluon propagator in two, three and four space-time dimensions in the SU(2) case. These evaluations also show that, if one considers the coupling constant g(2) as a free parameter, the ghost propagator admits a one-parameter family of behaviors (labeled by g(2)), in agreement with previous works by Boucaud et al. In this case the condition sigma(0) <= 1 implies g(2) <= g(c)(2), where g(c)(2) is a "critical" value. Moreover, a freelike ghost propagator in the infrared limit is obtained for any value of g(2) smaller than g(c)(2), while for g(2) = g(c)(2) one finds an infrared-enhanced ghost propagator. Finally, we analyze the Dyson-Schwinger equation for sigma(p(2)) and show that, for infrared-finite ghost-gluon vertices, one can bound the ghost form factor sigma(p(2)). Using these bounds we find again that only in the d = 2 case does one need to impose D(0) = 0 in order to satisfy the no-pole condition. The d = 2 result is also supported by an analysis of the Dyson-Schwinger equation using a spectral representation for the ghost propagator. Thus, if the no-pole condition is imposed, solving the d = 2 Dyson-Schwinger equations cannot lead to a massive behavior for the gluon propagator. These results apply to any Gribov copy inside the so-called first Gribov horizon; i.e., the 2d result D(0) = 0 is not affected by Gribov noise. These findings are also in agreement with lattice data.

Wordline approach to higher spin fields

The main object of this thesis is the analysis and the quantization of spinning particle models which employ extended ”one dimensional supergravity” on the worldline, and their relation to the theory of higher spin fields (HS). In the first part of this work we have described the classical theory of massless spinning particles with an SO(N) extended supergravity multiplet on the worldline, in flat and more generally in maximally symmetric backgrounds. These (non)linear sigma models describe, upon quantization, the dynamics of particles with spin N/2. Then we have analyzed carefully the quantization of spinning particles with SO(N) extended supergravity on the worldline, for every N and in every dimension D. The physical sector of the Hilbert space reveals an interesting geometrical structure: the generalized higher spin curvature (HSC). We have shown, in particular, that these models of spinning particles describe a subclass of HS fields whose equations of motions are conformally invariant at the free level; in D = 4 this subclass describes all massless representations of the Poincar´e group. In the third part of this work we have considered the one-loop quantization of SO(N) spinning particle models by studying the corresponding partition function on the circle. After the gauge fixing of the supergravity multiplet, the partition function reduces to an integral over the corresponding moduli space which have been computed by using orthogonal polynomial techniques. Finally we have extend our canonical analysis, described previously for flat space, to maximally symmetric target spaces (i.e. (A)dS background). The quantization of these models produce (A)dS HSC as the physical states of the Hilbert space; we have used an iterative procedure and Pochhammer functions to solve the differential Bianchi identity in maximally symmetric spaces. Motivated by the correspondence between SO(N) spinning particle models and HS gauge theory, and by the notorious difficulty one finds in constructing an interacting theory for fields with spin greater than two, we have used these one dimensional supergravity models to study and extract informations on HS. In the last part of this work we have constructed spinning particle models with sp(2) R symmetry, coupled to Hyper K¨ahler and Quaternionic-K¨ahler (QK) backgrounds.

Mesonic chiral perturbation theory - odd intrinsic parity sector

In der vorliegenden Dissertation werden zwei verschiedene Aspekte des Sektors ungerader innerer Parität der mesonischen chiralen Störungstheorie (mesonische ChPT) untersucht. Als erstes wird die Ein-Schleifen-Renormierung des führenden Terms, der sog. Wess-Zumino-Witten-Wirkung, durchgeführt. Dazu muß zunächst der gesamte Ein-Schleifen-Anteil der Theorie mittels Sattelpunkt-Methode extrahiert werden. Im Anschluß isoliert man alle singulären Ein-Schleifen-Strukturen im Rahmen der Heat-Kernel-Technik. Zu guter Letzt müssen diese divergenten Anteile absorbiert werden. Dazu benötigt man eine allgemeinste anomale Lagrange-Dichte der Ordnung O(p^6), welche systematisch entwickelt wird. Erweitert man die chirale Gruppe SU(n)_L x SU(n)_R auf SU(n)_L x SU(n)_R x U(1)_V, so kommen zusätzliche Monome ins Spiel. Die renormierten Koeffizienten dieser Lagrange-Dichte, die Niederenergiekonstanten (LECs), sind zunächst freie Parameter der Theorie, die individuell fixiert werden müssen. Unter Betrachtung eines komplementären vektormesonischen Modells können die Amplituden geeigneter Prozesse bestimmt und durch Vergleich mit den Ergebnissen der mesonischen ChPT eine numerische Abschätzung einiger LECs vorgenommen werden. Im zweiten Teil wird eine konsistente Ein-Schleifen-Rechnung für den anomalen Prozeß (virtuelles) Photon + geladenes Kaon -> geladenes Kaon + neutrales Pion durchgeführt. Zur Kontrolle unserer Resultate wird eine bereits vorhandene Rechnung zur Reaktion (virtuelles) Photon + geladenes Pion -> geladenes Pion + neutrales Pion reproduziert. Unter Einbeziehung der abgeschätzten Werte der jeweiligen LECs können die zugehörigen hadronischen Strukturfunktionen numerisch bestimmt und diskutiert werden.

QCD-Strahlungskorrekturen zu Polarisationsobservablen in semileptonischen Zerfällen schwerer Quarks

In dieser Arbeit werden die QCD-Strahlungskorrekturen in erster Ordnung der starken Kopplungskonstanten für verschiedene Polarisationsobservablen zu semileptonischen Zerfällen eines bottom-Quarks in ein charm-Quark und ein Leptonpaar berechnet. Im ersten Teil wird der Zerfall eines unpolarisierten b-Quarks in ein polarisiertes c-Quark sowie ein geladenes Lepton und ein Antineutrino im Ruhesystem des b-Quarks analysiert. Es werden die Strahlungskorrekturen für den unpolarisierten und den polarisierten Beitrag zur differentiellen Zerfallsrate nach der Energie des c-Quarks berechnet, wobei das geladene Lepton als leicht angesehen und seine Masse daher vernachlässigt wird. Die inklusive differentielle Rate wird durch zwei Strukturfunktionen in analytischer Form dargestellt. Anschließend werden die Strukturfunktionen und die Polarisation des c-Quarks numerisch ausgewertet. Nach der Einführung der Helizitäts-Projektoren befaßt sich der zweite Teil mit dem kaskadenartigen Zerfall eines polarisierten b-Quarks in ein unpolarisiertes c-Quark und ein virtuelles W-Boson, welches weiter in ein Paar leichter Leptonen zerfällt. Es werden die inklusiven Strahlungskorrekturen zu drei unpolarisierten und fünf polarisierten Helizitäts-Strukturfunktionen in analytischer Form berechnet, welche die Winkelverteilung für die differentielle Zerfallsrate nach dem Viererimpulsquadrat des W-Bosons beschreiben. Die Strukturfunktionen enthalten die Informationen sowohl über die polare Winkelverteilung zwischen dem Spinvektor des b-Quarks und dem Impulsvektor des W-Bosons als auch über die räumliche Winkelverteilung zwischen den Impulsen des W-Bosons und des Leptonpaars. Der Impuls und der Spinvektor des b-Quarks sowie der Impuls des W-Bosons werden im b-Ruhesystem analysiert, während die Impulse des Leptonpaars im W-Ruhesystem ausgewertet werden. Zusätzlich zu den genannten Strukturfunktionen werden noch die unpolarisierte und die polarisierte skalare Strukturfunktion angegeben, die in Anwendungen bei hadronischen Zerfällen eine Rolle spielen. Anschließend folgt eine numerische Auswertung aller berechneten Strukturfunktionen. Im dritten Teil werden die nichtperturbativen HQET-Korrekturen zu inklusiven semileptonischen Zerfällen schwerer Hadronen diskutiert, welche ein b-Quark enthalten. Sie beschreiben hadronische Korrekturen, die durch die feste Bindung des b-Quarks in Hadronen hervorgerufen werden. Es werden insgesamt fünf unpolarisierte und neun polarisierte Helizitäts-Strukturfunktionen in analytischer Form angegeben, die auch eine endliche Masse und den Spin des geladenen Leptons berücksichtigen. Die Strukturfunktionen werden sowohl in differentieller Form in Abhängigkeit des quadrierten Viererimpulses des W-Bosons als auch in integrierter Form präsentiert. Zum Schluß werden die zuvor erhaltenen Resultate auf die semi-inklusiven hadronischen Zerfälle eines polarisierten Lambda_b-Baryons oder eines B-Mesons in ein D_s- oder ein D_s^*-Meson unter Berücksichtigung der D_s^*-Polarisation angewandt. Für die zugehörigen Winkelverteilungen werden die inklusiven QCD- und die nichtperturbativen HQET-Korrekturen zu den Helizitäts-Strukturfunktionen in analytischer Form angegeben und anschließend numerisch ausgewertet.

Warped extra dimensions: flavor, precision tests and Higgs physics

In this thesis, the phenomenology of the Randall-Sundrum setup is investigated. In this context models with and without an enlarged SU(2)_L x SU(2)_R x U(1)_X x P_{LR} gauge symmetry, which removes corrections to the T parameter and to the Z b_L \bar b_L coupling, are compared with each other. The Kaluza-Klein decomposition is formulated within the mass basis, which allows for a clear understanding of various model-specific features. A complete discussion of tree-level flavor-changing effects is presented. Exact expressions for five dimensional propagators are derived, including Yukawa interactions that mediate flavor-off-diagonal transitions. The symmetry that reduces the corrections to the left-handed Z b \bar b coupling is analyzed in detail. In the literature, Randall-Sundrum models have been used to address the measured anomaly in the t \bar t forward-backward asymmetry. However, it will be shown that this is not possible within a natural approach to flavor. The rare decays t \to cZ and t \to ch are investigated, where in particular the latter could be observed at the LHC. A calculation of \Gamma_{12}^{B_s} in the presence of new physics is presented. It is shown that the Randall-Sundrum setup allows for an improved agreement with measurements of A_{SL}^s, S_{\psi\phi}, and \Delta\Gamma_s. For the first time, a complete one-loop calculation of all relevant Higgs-boson production and decay channels in the custodial Randall-Sundrum setup is performed, revealing a sensitivity to large new-physics scales at the LHC.

Photo- und Elektropionproduktion in chiraler effektiver Feldtheorie

In der vorliegenden Arbeit werden Photopionproduktion (PPP) und Elektropionproduktion (EPP) im Rahmen der manifest lorentzinvarianten baryonischen chiralen Störungstheorie untersucht. Dabei werden zwei verschiedene Ansätze verfolgt. Zum einen wird eine Rechnung auf Einschleifenniveau bis zur chiralen Ordnung O(q^4) mit Pionen und Nukleonen als Freiheitsgrade durchgeführt, um die Energieabhängigkeit der Reaktionen über einen möglichst großen Bereich zu beschreiben. Um die Abhängigkeit von der Photonvirtualität in der EPP zu verbessern, werden zum anderen in einer zweiten Rechnung Vektormesonen in die Theorie einbezogen. Diese Rechnung wird bis zur chiralen Ordnung O(q^3) auf Einschleifenniveau durchgeführt. rnrnVon den vier physikalischen Prozessen in PPP und EPP sind nur drei experimentell zugänglich. Untersucht werden diese Reaktionen an mehreren verschiedenen Anlagen, z.B. in Mainz, Bonn oder Saskatoon. Die dort gewonnenen Daten werden hier verwendet, um die Grenzen der chiralen Störungstheorie auszuloten. rnrnDiese Arbeit stellt die erste, vollständige, manifest lorentzinvariante Rechnung in O(q^4) für PPP und EPP, und die erste jemals durchgeführte Rechnung mit Vektormesonen als Freiheitsgrade für diesen Prozess, dar. Neben der Berechnung der physikalischen Observablen wird auch eine Partialwellenzerlegung durchgeführt und die wichtigsten Multipole untersucht. Diese lassen sich aus den gewonnenen Amplituden extrahieren und bieten eine gute Möglichkeit das Nukleon und Resonanzen zu untersuchen. rnrnUm das Matrixelement für die Prozesse berechnen zu können, wurden verschiedene Routinen für das Computeralgebrasystem Mathematica entwickelt, da die Anzahl der zu bestimmenden Diagramme sehr groß ist. Für die Multipolzerlegung werden zwei verschiedene Programme verwendet. Zum einen das bereits existierende Programm XMAID, welches für diese Arbeit entsprechend modifiziert wurde. Zum anderen wurden vergleichbare Routinen für Mathematica entwickelt. Am Ende der Analysen werden die verschiedenen Rechnungen bezüglich ihrer Anwendbarkeit auf PPP und EPP verglichen.

Anwendungen des Komplexe-Masse-Renormierungsschemas in effektiver Feldtheorie

Der erste Teil der vorliegenden Dissertation befasst sich mit der Untersuchung der perturbativen Unitarität im Komplexe-Masse-Renormierungsschema (CMS). Zu diesem Zweck wird eine Methode zur Berechnung der Imaginärteile von Einschleifenintegralen mit komplexen Massenparametern vorgestellt, die im Grenzfall stabiler Teilchen auf die herkömmlichen Cutkosky-Formeln führt. Anhand einer Modell-Lagrangedichte für die Wechselwirkung eines schweren Vektorbosons mit einem leichten Fermion wird demonstriert, dass durch Anwendung des CMS die Unitarität der zugrunde liegenden S-Matrix im störungstheoretischen Sinne erfüllt bleibt, sofern die renormierte Kopplungskonstante reell gewählt wird. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Anwendungen des CMS in chiraler effektiver Feldtheorie (EFT). Im Einzelnen werden Masse und Breite der Deltaresonanz, die elastischen elektromagnetischen Formfaktoren der Roperresonanz, die elektromagnetischen Formfaktoren des Übergangs vom Nukleon zur Roperresonanz sowie Pion-Nukleon-Streuung und Photo- und Elektropionproduktion für Schwerpunktsenergien im Bereich der Roperresonanz berechnet. Die Wahl passender Renormierungsbedingungen ermöglicht das Aufstellen eines konsistenten chiralen Zählschemas für EFT in Anwesenheit verschiedener resonanter Freiheitsgrade, so dass die aufgeführten Prozesse in Form einer systematischen Entwicklung nach kleinen Parametern untersucht werden können. Die hier erzielten Resultate können für Extrapolationen von entsprechenden Gitter-QCD-Simulationen zum physikalischen Wert der Pionmasse genutzt werden. Deshalb wird neben der Abhängigkeit der Formfaktoren vom quadrierten Impulsübertrag auch die Pionmassenabhängigkeit des magnetischen Moments und der elektromagnetischen Radien der Roperresonanz untersucht. Im Rahmen der Pion-Nukleon-Streuung und der Photo- und Elektropionproduktion werden eine Partialwellenanalyse und eine Multipolzerlegung durchgeführt, wobei die P11-Partialwelle sowie die Multipole M1- und S1- mittels nichtlinearer Regression an empirische Daten angepasst werden.

Chirale effektive Feldtheorie mit Vektormesonen : vom elektromagnetischen Formfaktor zur virtuellen Compton-Streuung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung niederenergetischer elektromagnetischer und hadronischer Prozesse im Rahmen einer manifest lorentzinvarianten, chiralen effektiven Feldtheorie unter expliziter, dynamischer Berücksichtigung resonanter, das heißt vektormesonischer Freiheitsgrade. Diese effektive Theorie kann daher als Approximation der grundlegenden Quantenchromodynamik bei kleinen Energien verstanden werden. Besonderes Augenmerk wird dabei auf das verwendete Zähl- sowie Renormierungschema gelegt, wodurch eine konsistente Beschreibung mesonischer Prozesse bis zu Energien von etwa 1GeV ermöglicht wird. Das verwendete Zählschema beruht dabei im Wesentlichen auf einem Argument für großes N_c (Anzahl der Farbfreiheitsgrade) und lässt eine äquivalente Behandlung von Goldstonebosonen (Pionen) und Resonanzen (Rho- und Omegamesonen) zu. Als Renormierungsschema wird das für (bezüglich der starken Wechselwirkung) instabile Teilchen besonders geeignete complex-mass scheme als Erweiterung des extended on-mass-shell scheme verwendet, welches in Kombination mit dem BPHZ-Renormierungsverfahren (benannt nach Bogoliubov, Parasiuk, Hepp und Zimmermann) ein leistungsfähiges Konzept zur Berechnung von Quantenkorrekturen in dieser chiralen effektiven Feldtheorie darstellt. Sämtliche vorgenommenen Rechnungen schließen Terme der chiralen Ordnung vier sowie einfache Schleifen in Feynman-Diagrammen ein. Betrachtet werden unter anderem der Vektorformfaktor des Pions im zeitartigen Bereich, die reelle Compton-Streuung (beziehungsweise Photonenfusion) im neutralen und geladenen Kanal sowie die virtuelle Compton-Streuung, eingebettet in die Elektron-Positron-Annihilation. Zur Extraktion der Niederenergiekopplungskonstanten der Theorie wird letztendlich eine Reihe experimenteller Datensätze verschiedenartiger Observablen verwendet. Die hier entwickelten Methoden und Prozeduren - und insbesondere deren technische Implementierung - sind sehr allgemeiner Natur und können daher auch an weitere Problemstellungen aus diesem Gebiet der niederenergetischen Quantenchromodynamik angepasst werden.

SUSYFLAVOR v2: A Computational tool for FCNC and CP-violating processes in the MSSM

We present SUSY_FLAVOR version 2 — a Fortran 77 program that calculates low-energy flavor observables in the general R-parity conserving MSSM. For a set of MSSM parameters as input, the code gives predictions for: 1. Electric dipole moments of the leptons and the neutron. 2. Anomalous magnetic moments (i.e. g − 2) of the leptons. 3. Radiative lepton decays (μ → eγ and τ → μγ , eγ ). 4. Rare Kaon decays (K0 L → π0 ¯νν and K+ → π+ ¯νν). 5. Leptonic B decays (Bs,d → l+l−, B → τ ν and B → Dτ ν). 6. Radiative B decays (B → ¯ Xsγ ). 7. ΔF = 2 processes ( ¯ K0–K0, ¯D–D, ¯Bd–Bd and ¯Bs–Bs mixing). Comparing to SUSY_FLAVOR v1, where the matching conditions were calculated strictly at one-loop level, SUSY_FLAVOR v2 performs the resummation of all chirally enhanced corrections, i.e. takes into account the enhanced effects from tan β and/or large trilinear soft mixing terms to all orders in perturbation theory. Also, in SUSY_FLAVOR v2 new routines calculation of B → (D)τ ν, g − 2, radiative lepton decays and Br(l → l′γ ) were added. All calculations are done using exact diagonalization of the sfermion mass matrices. The program can be obtained from http://www.fuw.edu.pl/susy_flavor.

Isospin Breaking Effects in Kℓ4 Decays

In the framework of chiral perturbation theory with photons and leptons, the one-loop isospin-breaking effects in Kℓ4 decays due to both the photonic contribution and the quark and meson mass differences are computed. A comparison with the isospin-breaking corrections applied by recent high statistics Ke4 experiments is performed. The calculation can be used to correct the existing form factor measurements by isospin-breaking effects that have not yet been taken into account in the experimental analysis. Based on the present work, possible forthcoming experiments on Ke4 decays could correct the isospin breaking effects in a more consistent way.