Can extreme black Holes have (long) Abelian Higgs hair?

It has been argued that a black hole horizon can support the long-range fields of a Nielsen-Olesen string and that one can think of such a vortex as black hole "hair." In this paper, we examine the properties of an Abelian Higgs vortex in the presence of a charged black hole as we allow the hole to approach extremality. Using both analytical and numerical techniques, we show that the magnetic field lines (as well as the scalar field) of the vortex are completely expelled from the black hole in the extreme limit. This was to be expected, since extreme black holes in Einstein-Maxwell theory are known to exhibit such a "Meissner effect" in general. This would seem to imply that a vortex does not want to be attached to an extreme black hole. We calculate the total energy of the vortex fields in the presence of an extreme black hole. When the hole is small relative to the size of the vortex, it is energetically favored for the hole to remain inside the vortex region, contrary to the intuition that the hole should be expelled. However, as we allow the extreme horizon radius to become very large compared to the radius of the vortex, we do find evidence of an instability. This proves that it is energetically unfavorable for a thin vortex to interact with a large extreme black hole. This would seem to dispel the notion that a black hole can support "long" Abelian Higgs hair in the extreme limit. We show that these considerations do not go through in the near-extreme limit. Finally, we discuss the implications for strings that end at black holes, as in the processes where a string snaps by nucleating black holes.

Absence of Abelian Higgs Hair for Extreme Black Holes

It has been argued that a black hole horizon can support the long range fields of a Nielsen-Olesen string, and that one can think of such a vortex as black hole hair. We show that the fields inside the vortex are completely expelled from a charged black hole in the extreme limit (but not in the near extreme limit). This would seem to imply that a vortex cannot be attached to an extreme black hole. Furthermore, we provide evidence that it is energetically unfavorable for a thin vortex to interact with a large extreme black hole. This dispels the notion that a black hole can support long Abelian Higgs hair in the extreme limit.

Abelian-Higgs and vortices from ABJM: towards a string realization of AdS/CMT

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Étude des transitions de phases dans le modèle de Higgs abélien en (2+1) dimensions et l'effet du terme de Chern-Simons

Nous avons investigué, via les simulations de Monte Carlo, les propriétés non-perturbatives du modèle de Higgs abélien en 2+1 dimensions sans et avec le terme de Chern-Simons dans la phase de symétrie brisée, en termes de ses excitations topologiques: vortex et anti-vortex. Le but du présent travail est de rechercher les phases possibles du système dans ce secteur et d'étudier l'effet du terme de Chern-Simons sur le potentiel de confinement induit par les charges externes trouvé par Samuel. Nous avons formulé une description sur réseau du modèle effectif en utilisant une tesselation tétraédrique de l'espace tridimensionnel Euclidien pour générer des boucles de vortex fermées. En présence du terme de Chern-Simons, dans une configuration donnée, nous avons formulé et calculé le nombre d'enlacement entre les différentes boucles de vortex fermées. Nous avons analysé les propriétés du vide et calculé les valeurs moyennes de la boucle de Wilson, de la boucle de Polyakov à différentes températures et de la boucle de 't Hooft en présence du terme de Chern-Simons. En absence du terme de Chern-Simons, en variant la masse des boucles de vortex, nous avons trouvé deux phases distinctes dans le secteur de la symétrie brisée, la phase de Higgs habituelle et une autre phase caractérisée par l'apparition de boucles infinies. D'autre part, nous avons trouvé que la force entre les charges externes est écrantée correpondant à la loi périmètre pour la boucle de Wilson impliquant qu'il n'y a pas de confinement. Cependant, après la transition, nous avons trouvé qu'il existe toujours une portion de charges externes écrantée, mais qu'après une charge critique, l'énergie libre diverge. En présence du terme de Chern-Simons, et dans la limite de constante de couplage faible de Chern-Simons nous avons trouvé que les comportements de la boucle de Wilson et de la boucle de 't Hooft ne changent pas correspondants à une loi périmètre, impliquant qu'il n'y a pas de confinement. De plus, le terme de Chern-Simons ne contribue pas à la boucle de Wilson.

Énergie des vortex dans un modèle abélien de Higgs en 2+1 dimensions avec un potentiel d’ordre six

Dans ce travail, j’étudierai principalement un modèle abélien de Higgs en 2+1 dimensions, dans lequel un champ scalaire interagit avec un champ de jauge. Des défauts topologiques, nommés vortex, sont créés lorsque le potentiel possède un minimum brisant spontanément la symétrie U(1). En 3+1 dimensions, ces vortex deviennent des défauts à une dimension. Ils ap- paraissent par exemple en matière condensée dans les supraconducteurs de type II comme des lignes de flux magnétique. J’analyserai comment l’énergie des solutions statiques dépend des paramètres du modèle et en particulier du nombre d’enroulement du vortex. Pour le choix habituel de potentiel (un poly- nôme quartique dit « BPS »), la relation entre les masses des deux champs mène à deux types de comportements : type I si la masse du champ de jauge est plus grande que celle du champ sca- laire et type II inversement. Selon le cas, la dépendance de l’énergie au nombre d’enroulement, n, indiquera si les vortex auront tendance à s’attirer ou à se repousser, respectivement. Lorsque le flux emprisonné est grand, les vortex présentent un profil où la paroi est mince, permettant certaines simplifications dans l’analyse. Le potentiel, un polynôme d’ordre six (« non-BPS »), est choisi tel que le centre du vortex se trouve dans le vrai vide (minimum absolu du potentiel) alors qu’à l’infini le champ scalaire se retrouve dans le faux vide (minimum relatif du potentiel). Le taux de désintégration a déjà été estimé par une approximation semi-classique pour montrer l’impact des défauts topologiques sur la stabilité du faux vide. Le projet consiste d’abord à établir l’existence de vortex classi- quement stables de façon numérique. Puis, ma contribution fut une analyse des paramètres du modèle révélant le comportement énergétique de ceux-ci en fonction du nombre d’enroulement. Ce comportement s’avèrera être différent du cas « BPS » : le ratio des masses ne réussit pas à décrire le comportement observé numériquement.

Towards a Realization of the Condensed-Matter-Gravity Correspondence in String Theory via Consistent Abelian Truncation of the Aharony-Bergman-Jafferis-Maldacena Model

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Soluções tipo vórtex em teorias de gauge Chern-Simons-Maxwell-Higgs

Pós-graduação em Física - IFT

Vortices and extreme black holes: The question of flux expulsion

It has been claimed that extreme black holes exhibit a phenomenon of flux expulsion for Abelian Higgs vortices, irrespective of the relative width of the vortex to the black hole. Recent work by two of the authors showed a subtlety in the treatment of the event horizon, which cast doubt on this claim. We analyze in detail the vortexextreme black hole system, showing that, while flux expulsion can occur, it does not do so in all cases. We give analytic proofs for both expulsion and penetration of flux, in each case deriving a bound for that behavior. We also present extensive numerical work backing up, and refining, these claims, and showing in detail how a vortex can end on a black hole in all situations. We also calculate the back reaction of the vortex on the geometry, and comment on the more general vortexblack hole system.

Caos e termalização na teoria de Yang-Mills com quebra espontânea de simetria

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Vórtices semilocais

Pós-graduação em Física - FEG

Abelian symmetries in the two-Higgs-doublet model with fermions

We classify all possible implementations of an Abelian symmetry in the two-Higgs-doublet model with fermions. We identify those symmetries which are consistent with nonvanishing quark masses and a Cabibbo-Kobayashi-Maskawa quark-mixing matrix (CKM), which is not block-diagonal. Our analysis takes us from a plethora of possibilities down to 246 relevant cases, requiring only 34 distinct matrix forms. We show that applying Z(n) with n >= 4 to the scalar sector leads to a continuous U(1) symmetry in the whole Lagrangian. Finally, we address the possibilities of spontaneous CP violation and of natural suppression of the flavor-changing neutral currents. We explain why our work is relevant even for non-Abelian symmetries.

Studies on magnetic monopole solutions of non-abelian gauge theories and related problems

In 1931 Dirac studied the motion of an electron in the field of a magnetic monopole and found that the quantization of electric charge can be explained by postulating the mere existence of a magnetic monopole. Since 1974 there has been a resurgence of interest in magnetic monopole due to the work of ‘t’ Hooft and Polyakov who independently observed that monopoles can exist as finite energy topologically stable solutions to certain spontaneously broken gauge theories. The thesis, “Studies on Magnetic Monopole Solutions of Non-abelian Gauge Theories and Related Problems”, reports a systematic investigation of classical solutions of non-abelian gauge theories with special emphasis on magnetic monopoles and dyons which possess both electric and magnetic charges. The formation of bound states of a dyon with fermions and bosons is also studied in detail. The thesis opens with an account of a new derivation of a relationship between the magnetic charge of a dyon and the topology of the gauge fields associated with it. Although this formula has been reported earlier in the literature, the present method has two distinct advantages. In the first place, it does not depend either on the mechanism of symmetry breaking or on the nature of the residual symmetry group. Secondly, the results can be generalized to finite temperature monopoles.

Mass generation for Abelian spin-1 particles via a symmetric tensor

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)