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The role of gauge fields in cold and dense quark matter (2007)

Jorge Noronha

In this thesis we investigate the role played by gauge fields in providing new observable signatures that can attest to the presence of color superconductivity in neutron stars. We show that thermal gluon fluctuations in color-flavor locked superconductors can substantially increase their critical temperature and also change the order of the transition, which becomes a strong first-order phase transition. Moreover, we explore the effects of strong magnetic fields on the properties of color-flavor locked superconducting matter. We find that both the energy gaps as well as the magnetization are oscillating functions of the magnetic field. Also, it is shown that the magnetization can be so strong that homogeneous quark matter becomes metastable for a range of parameters. This points towards the existence of magnetic domains or other types of magnetic inhomogeneities in the hypothesized quark cores of magnetars. Obviously, our results only apply if the strong magnetic fields observed on the surface of magnetars can be transmitted to their inner core. This can occur if the superconducting protons expected to exist in the outer core form a type-I I superconductor. However, it has been argued that the observed long periodic oscillations in isolated pulsars can only be explained if the outer core is a type-I superconductor rather than type-I I. We show that this is not the only solution for the precession puzzle by demonstrating that the long-term variation in the spin of PSR 1828-11 can be explained in terms of Tkachenko oscillations within superfluid shells.

Selbstkonsistente Beschreibung stark wechselwirkender Materie bei endlichen Temperaturen (2003)

Jörg Ruppert

In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Aspekte der starken Wechselwirkung in effektiven Modellen in selbstkonsistenten Vielteilchenresummationsverfahren, die mit Hilfe des Cornwall-Jackiw-Tomboulis-Formalismus (CJT) hergeleitet wurden, untersucht. Zum einen wurden in der vorliegenden Arbeit lineare Sigma-Modelle behandelt, die zur Beschreibung der chiralen Symmetrierestauration der starken Wechselwirkung herangezogen werden. Hierbei handelt es sich um die linearen Sigma-Modelle mit O(4)-, U(2)r × U(2)-, U(3)r × U(3)- und U(4)r × U(4)-Symmetrie. Diese linearen Sigma-Modelle wurden zur Berechnung der Meson-Massen und Quark-Kondensate in Abhängigkeit von der Temperatur herangezogen. Hierzu wurden die Meson-Massen und Kondensate selbstkonsistent im Rahmen der Hartree-Näherung berechnet, die wiederum mit Hilfe des CJT-Formalismus hergeleitet wurde. Dies führte zum Studium verschiedener Symmetriebrechungsmuster der chiralen Symmetrie in den verschieden linearen Sigma-Modellen, wie sie in Tabelle 1.1 dargestellt wurden. Als erstes Ergebnis wurde dann der Fall maximaler Symmetriebrechung, nämlich die explizite Symmetriebrechung in Anwesenheit der U(1)A-Anomalie, besprochen. Hierbei wurden alle untersuchten Modelle miteinander verglichen, um den Einfluß der unterschiedlichen Anzahl von Quark-Flavors Nf auf die erzielten Ergebnisse zu diskutieren. Beim Vergleich des linearen O(4)- mit dem U(2)r×U(2)-Modell wird eine Verdopplung der physikalischen Freiheitsgrads augenfällig: zusätzlich zum Sigma-Meson und den Pionen, die schon im O(4)-Modell vorhanden sind, treten noch das η-Meson und die a0-Mesonen. Dies führt dazu, daß in der chiral-restaurierten Phase die Mesonmassen stärker mit der Temperatur ansteigen. Der Grund hierfür sind die Tadpole-Beiträge der zusätzlichen Freiheitsgrade, zu den Mesonenselbstenergie beitragen und so zu einer Zunahme der Mesonmassen führen. Dies trifft auch zu, wenn man den Strange-Freiheitsgrad beim Übergang zum U(3)r × U(3)-Modell hinzufügt. Dies ist eine allgemeine Tatsache, solange die Massen der zusätzlichen Freiheitsgrade von der gleichen Größenordnung sind wie die Übergangstemperatur des chiralen Phasenüberganges. Das Hinzufügen des Charm-Freiheitsgrades im Rahmen eines U(4)r ×U(4)-Modells beeinflußt die Resultate für die bereits im U(3)r×U(3)-Modell vorhandenen Mesonen und Kondensate nicht wesentlich. Dies beruht letztendlich auf der großen Masse des Charm-Quarks, die weit über der Übergangstemperatur des chiralen Phasenüberganges liegt. In der Hartree-Näherung wird diesem Sachverhalt dadurch Rechnung getragen, daß die Tadpole-Beiträge der schwereren, das Charm-Quark enthaltenden Mesonen ex4.3 ponentiell mit der jeweiligen Mesonenmasse unterdrückt sind ~ exp(−M/T ). Umgekehrt ändern sich die Massen der das Charm-Quark enthaltenden Mesonen fast nicht gegenüber ihrem Vakuumwert auf der Temperaturskala, die für die chirale Symmetrierestauration eine entscheidende Rolle spielt. Dies beruht darauf, daß die Tadpole- Beiträge der anderen leichten, Mesonen klein sind für gegenüber den großen Vakuummassen der schweren, das Charm-Quark enthaltenden, Mesonen. Dieses Resultat entspricht den intuitiven Erwartungen, aber ist dennoch aus zweierlei Gründen nichttrivial: erstens sind die Gleichungen für die In-Medium-Massen im U(4)r × U(4)- Modell strukturell von denen im U(3)r × U(3)-Modell verschieden; zweitens stellen die gekoppelten Gleichungen für die Massen und Kondensate ein nichtlineares Gleichungssystem dar, was dazu führen könnte, daß auch kleine Störungen große Veränderungen der Lösung des Gleichungssystemes nach sich ziehen. Dann wurde sich dem Studium der expliziten chiralen Symmetriebrechung ohne U(1)A-Anomalie zugewandt. Der Hauptunterschied zum vorherigen Fall war, daß der Bereich des Phasenüberganges auf der Temperaturskala enger um die Übergangstemperatur konzentriert ist und der chirale Phasenübergang bei etwas kleineren Temperaturen einsetzt. Schließlich wurden die skalaren und pseudoskalaren Mesonen und die Quark-Kondensate im chiralen Limes untersucht. Die Hartree-Näherung sagt hierbei korrekterweise einen Phasenübergang erster Ordnung im Fall des U(2)r × U(2)-Modelles ohne U(1)A-Anomalie und im U(3)r×U(3)-Modell voraus. Im O(4)- und im U(2)r× U(2)-Modell mit U(1)A-Anomalie versagt allerdings die Hartree-Näherung: eigentlich sollte ein Phasenüberganges zweiter Ordnung auftreten, die Hatree-Näherung führt aber auch hier auch hier auf einen Phasenübergang erster Ordnung. Die Übergangstemperaturen sind überraschend nah an denjenigen die in Gittereichrechnungen vorhergesagt werden. Allerdings nimmt mit der U(1)A-Anomalie die Übergangstemperatur mit der Anzahl der Quarkflavors zu, wohingegen die Gittereichtheorie das umgekehrte Verhalten vorhersagt. Dieses Bild ändert sich in Abwesenheit der U(1)A-Anomalie. Hier stimmen die Vorhersagen für die Ordnung der Übergangstemperaturen mit der Anzahl der Quark-Flavors mit der QCD-Vorhersage überein. Dies mag ein Anzeichen dafür sein, daß die U(1)A-Symmetrie – zumindest partiell – in der Nähe der Übergangstemperatur des chiralen Phasenüberganges und darüberhinaus wiederhergestellt sein könnte. Zum anderen wurde die Wechselwirkung von Pionen und Rho-Mesonen im Medium untersucht. Dies wurde im Rahmen eines einfachen Pion-Rho-Vektormesondominanzmodelles vorgenommen. Für dieses Modell wurde eine selbstkonsistente Ein-Schleifen-Näherung für die Dyson-Schwinger-Gleichungen des Pions- und des Rho-Vektormesons hergeleitet. Die im Rahmen dieser Näherung den Dyson- Schwinger-Gleichungen äquivalenten selbstkonsistenten Integralgleichungen für die Spektraldichten und Selbstenergien wurden im CJT-Formalismus unter Verwendung der Saclay-Methode hergeleitet. Renormierungsfragen wurden durch die Beschränkung der Untersuchungen auf die Imaginärteile der Selbstenergien umgangen, damit treten in dieser Näherung keine Massenmodifikationen der Pionen oder des Rho-Vektormesons auf. Im Rahmen der Aufstellung der selbstkonsistenten Dyson- Schwinger-Gleichungen zeigte sich, daß eine Verletzung der Vierer-Transversalität des Selbstenergietensors der Rho-Vektormesons auftritt, die letztlich auf Verletzung der Eichsymmetrie des zugrundeliegenden Pion-Rho-Modells beruht. Dennoch konnte durch sachgerechte Eichung erreicht werden, daß der Tensor der Spektraldichte des Rho-Vektormesons auch in dieser Näherung vierer-transversal ist. Das so erhaltene Integralgleichungssystem wurde numerisch auf einem Energie- und Impulsgitter gelöst. Die Spektraldichten und Selbstenergien der Pionen sowie die Komponenten der Spektraldichten und Selbstenergien des Rho-Mesons wurden hiermit selbstkonsistent bestimmt. Eine sehr interessante Eigenschaft im Vergleich zu perturbativen Ein-Schleifen-Rechnungen in diesen Modellen ist, daß die räumlich-longitudinale und räumlichtransversale Komponente der Spektraldichte des Rho-Vektormesons auch für invariante Massen pP2 unterhalb der Zwei-Pionen-Schwelle pP2 < 2mPion nicht-verschwindende Beiträge erhalten. Dies rührt daher, daß nun in den Integralgleichungen für die Selbstenergiekomponenten des Rho-Mesons die pionische Spektralfunktion im Medium prinzipiell alle Energieanregungen mit einem thermischen Gewichtsfaktor zugänglich macht. Das Schwellenverhalten ist also ein Artefakt der perturbativen Ein-Schleifen-Näherung. Die selbstkonsistenten Spektraldichten des Rho-Meson wurden zur Berechnung der statischen, thermischen Dileptonenproduktionsrate herangezogen. Es ergab sich, daß aufgrund dieses Aufweichens der Zwei-Pion-Schwelle eine erhebliche Erhöhung der statischen Dileptonenproduktionsrate im Vergleich zur perturbativen Ein-Schleifen-Näherung im Bereich von invarianten Massen zwischen 300MeV < pP2 < 700MeV eintritt. Auch das in perturbativen Rechnungen auftretende Maximum im Bereich invarianter Massen von 700MeV < pP2 < 900MeV in der Dileptonenproduktionsrate ist aufgrund der Stoßverbreiterung in den Ergebnissen der selbstkonsistenten Rechnungen nicht mehr auszumachen. Insbesondere zeigt sich hier auch, daß eine rein perturbative Behandlung stark wechselwirkender Systeme bei endlichen Temperaturen und Dichten a priori nicht ausreichend für ein angemessenes physikalisches Verständnis der auftretenden Effekte ist. Die Anwendung von vielteilchentheoretischen Verfahren zur Herleitung von genäherten Dyson-Schwinger-Gleichungen ist deshalb von besonderer Wichtigkeit. Mit den Studien dieser zwei Modellklassen, nämlich zum einen der Modelle des chiralen Phasenüberganges in der starken Wechselwirkung, und zum anderen eines Vektormesondominanzmodelles für ein Pion-Rho-System bei endlichen Temperaturen mit Hilfe von Vielteilchenresummationsverfahren in selbstkonsistenten Näherungen konnten so interessante phänomenologische Einblicke in die Physik der stark wechselwirkenden Materie gewonnen werden. Darüberhinaus wurde ein theoretischer Beitrag zur Behandlung beliebiger bosonischer Systeme in der selbstkonsistenten Schleifen-Näherung für die Dyson-Schwinger-Gleichungen geleistet. Natürlich sind damit die Forschungen auf dem Gebiet der Beschreibung von Aspekten stark wechselwirkender Materie in effektiven Modelle mittels selbstkonsistenter Vielteilchenresummationsverfahren bei weitem nicht abgeschlossen. Vielfältige Entwicklungen auf diesem Forschungsgebiet sind auch in Zukunft zu erwarten. Zum Beispiel bleibt die Frage der Veränderung der Massen (Realteil der Selbstenergien) der Rho-Mesonen und Pionen im Medium in der selbstkonsistenten Schleifennäherung bisher noch unbeantwortet. Auch das Einbinden von Baryonen in diese Betrachtungen ist eine Aufgabe für die Zukunft. Schließlich können auch noch die Effekte der chiralen Symmetrierestauration einen wesentlichen Einfluß auf die Beschreibung der Dileptonenproduktion nehmen. Die vorliegende Arbeit läßt die begründete Hoffnung zu, daß bei der Behandlung dieser weitergehenden Fragen in selbstkonsistenten Resummationsschemata wichtige neue Erkenntnisse gewonnen werden könnten. Darüberhinaus bleibt die Frage eines eichinvarianten, numerisch tatsächlich mit Hilfe des aktuellen Standes der Computertechnologie realisierbaren Vielteilchenresummationsschemas, das bei allen Temperaturen und Dichten anwendbar wäre ein grundlegendes und offenes Problem der Forschung, das nicht nur für die Beschreibung effektiver Theorien sondern auch für die Untersuchung von Dyson-Schwinger-Gleichungen für fundamentale Theorien, wie der Quantenchromodynamik, von höchstem Interesse wäre.

The phase diagram of neutral quark matter (2006)

Stefan Bernhard Rüster

In this thesis, I study the phase diagram of dense, locally neutral three-flavor quark matter as a function of the strange quark mass, the quark chemical potential, and the temperature, employing a general nine-parameter ansatz for the gap matrix. At zero temperature and small values of the strange quark mass, the ground state of quark matter corresponds to the color–flavor-locked (CFL) phase. At some critical value of the strange quark mass, this is replaced by the recently proposed gapless CFL (gCFL) phase. I also find several other phases, for instance, a metallic CFL (mCFL) phase, a so-called uSC phase where all colors of up quarks are paired, as well as the standard two-flavor color-superconducting (2SC) phase and the gapless 2SC (g2SC) phase. I also study the phase diagram of dense, locally neutral three-flavor quark matter within the framework of a Nambu–Jona-Lasinio (NJL) model. In the analysis, dynamically generated quark masses are taken into account self-consistently. The phase diagram in the plane of temperature and quark chemical potential is presented. The results for two qualitatively different regimes, intermediate and strong diquark coupling strength, are presented. It is shown that the role of gapless phases diminishes with increasing diquark coupling strength. In addition, I study the effect of neutrino trapping on the phase diagram of dense, locally neutral three-flavor quark matter within the same NJL model. The phase diagrams in the plane of temperature and quark chemical potential, as well as in the plane of temperature and leptonnumber chemical potential are presented. I show that neutrino trapping favors two-flavor color superconductivity and disfavors the color–flavor-locked phase at intermediate densities of matter. At the same time, the location of the critical line separating the two-flavor color-superconducting phase and the normal phase of quark matter is little affected by the presence of neutrinos. The implications of these results for the evolution of protoneutron stars are briefly discussed.

A general effective action for quark matter and its application to color superconductivity (2005)

Philipp Tim Reuter

I derive a general effective theory for hot and/or dense quark matter. After introducing general projection operators for hard and soft quark and gluon degrees of freedom, I explicitly compute the functional integral for the hard quark and gluon modes in the QCD partition function. Upon appropriate choices for the projection operators one recovers various well-known effective theories such as the Hard Thermal Loop/ Hard Dense Loop Effective Theories as well as the High Density Effective Theory by Hong and Schaefer. I then apply the effective theory to cold and dense quark matter and show how it can be utilized to simplify the weak-coupling solution of the color-superconducting gap equation. In general, one considers as relevant quark degrees of freedom those within a thin layer of width 2 Lambda_q around the Fermi surface and as relevant gluon degrees of freedom those with 3-momenta less than Lambda_gl. It turns out that it is necessary to choose Lambda_q << Lambda_gl, i.e., scattering of quarks along the Fermi surface is the dominant process. Moreover, this special choice of the two cutoff parameters Lambda_q and Lambda_gl facilitates the power-counting of the numerous contributions in the gap-equation. In addition, it is demonstrated that both the energy and the momentum dependence of the gap function has to be treated self-consistently in order to determine the imaginary part of the gap function. For quarks close to the Fermi surface the imaginary part is calculated explicitly and shown to be of sub-subleading order in the gap equation.

Selfconsistent calculations of mesonic properties at nonzero temperature (2005)

Dirk Röder

After a brief introduction on QCD and effective models in the first chapter, I analyze the dependence of the QCD transition temperature on the quark (or pion) mass in the second chapter. I found that a linear sigma model, which links the transition to chiral symmetry restoration, predicts a much stronger dependence of T_c on m_pi than seen in present lattice data for m_pi >~ 0.4 GeV. On the other hand, an effective Lagrangian for the Polyakov loop requires only small explicit symmetry breaking to describe T_c(m_pi) in the above mass range. In the third and fourth chapter, I study the linear sigma model with O(N) symmetry at nonzero temperature in the framework of the Cornwall-Jackiw-Tomboulis formalism. Extending the set of two-particle irreducible diagrams by adding sunset diagrams to the usual Hartree-Fock (or Hartree) contributions, I derive a new approximation scheme which extends the standard Hartree-Fock (or Hartree) approximation by the inclusion of nonzero decay widths.

Bulk viscosity of spin-one color superconductors (2009)

Basil A. Sa'd

The bulk viscosity of several quark matter phases is calculated. It is found that the effect of color superconductivity is not trivial, it may suppress, or enhance the bulk viscosity depending on the critical temperature and the temperature at which the bulk viscosity is calculated. Also, is it found that the effect of neutrino-emitting Urca processes cannot be neglected in the consideration of the bulk viscosity of strange quark matter. The results for the bulk viscosity of strange quark matter are used to calculate the r-mode instability window of quark stars with several possible phases. It is shown that each possible phase has a different structure for the r-mode instability window.

Jet propagation and mach-cone formation in (3+1)-dimensional ideal hydrodynamics (2009)

Barbara Betz

This thesis investigates the jet-medium interactions in a Quark-Gluon Plasma using a hydrodynamical model. Such a Quark-Gluon Plasma represents a very early stage of our universe and is assumed to be created in heavy-ion collisions. Its properties are subject of current research. Since the comparison of measured data to model calculations suggests that the Quark-Gluon Plasma behaves like a nearly perfect liquid, the medium created in a heavy-ion collision can be described applying hydrodynamical simulations. One of the crucial questions in this context is if highly energetic particles (so-called jets), which are produced at the beginning of the collision and traverse the formed medium, may lead to the creation of a Mach cone. Such a Mach cone is always expected to develop if a jet moves with a velocity larger than the speed of sound relative to the medium. In that case, the measured angular particle distributions are supposed to exhibit a characteristic structure allowing for direct conclusions about the Equation of State and in particular about the speed of sound of the medium. Several different scenarios of jet energy loss are examined (the exact form of which is not known from first principles) and different mechanisms of energy and momentum loss are analyzed, ranging from weak interactions (based on calculations from perturbative Quantum Chromodynamics, pQCD) to strong interactions (formulated using the Anti-de-Sitter/Conformal Field Theory Correspondence, AdS/CFT). Though they result in different angular particle correlations which could in principle allow to distinguish the underlying processes (if it becomes possible to analyze single-jet events), it is shown that the characteristic structure observed in experimental data can be obtained due to the different contributions of several possible jet trajectories through an expanding medium. Such a structure cannot directly be connected to the Equation of State. In this context, the impact of a strong flow created behind the jet is examined which is common to almost all jet deposition scenarios. Besides that, the transport equations for dissipative hydrodynamics are discussed which are fundamental for any numerical computation of viscous effects in a Quark-Gluon Plasma.

The O(N=2) model in polar coordinates at nonzero temperature (2009)

Martin Grahl

Chapter 1 contains the general background of our work. We briefly discuss important aspects of quantum chromodynamics (QCD) and introduce the concept of the chiral condensate as an order parameter for the chiral phase transition. Our focus is on the concept of universality and the arguments why the O(4) model should fall into the same universality class as the effective Lagrangian for the order parameter of (massless) two-flavor QCD. Chapter 2 pedagogically explains the CJT formalism and is concerned with the WKB method. In chapter 3 the CJT formalism is then applied to a simple Z(2) symmetric toy model featuring a one-minimum classical potential. As for all other models we are concerned with in this thesis, we study the behavior at nonzero temperature. This is done in 1+3 dimensions as well as in 1+0 dimensions. In the latter case we are able to compare the effective potential at its global minimum (which is minus the pressure) with our result from the WKB approximation. In chapter 4 this program is also carried out for the toy model with a double-well classical potential, which allows for spontaneous symmetry breaking and tunneling. Our major interest however is in the O(2) model with the fields treated as polar coordinates. This model can be regarded as the first step towards the O(4) model in four-dimensional polar coordinates. Although in principle independent, all subjects discussed in this thesis are directly related to questions arising from the investigation of this particular model. In chapter 5 we start from the generating functional in cartesian coordinates and carry out the transition to polar coordinates. Then we are concerned with the question under which circumstances it is allowed to use the same Feynman rules in polar coordinates as in cartesian coordinates. This question turns out to be non-trivial. On the basis of the common Feynman rules we apply the CJT formalism in chapter 6 to the polar O(2) model. The case of 1+0 dimensions was intended to be a toy model on the basis of which one could more easily explore the transition to polar coordinates. However, it turns out that we are faced with an additional complication in this case, the infrared divergence of thermal integrals. This problem requires special attention and motivates the explicit study of a massless field under topological constraints in chapter 8. In chapter 7 we investigate the cartesian O(2) model in 1+0 dimensions. We compare the effective potential at its global minimum calculated in the CJT formalism and via the WKB approximation. Appendix B reviews the derivation of standard thermal integrals in 1+0 and 1+3 dimensions and constitutes the basis for our CJT calculations and the discussion of infrared divergences. In chapter 9 we discuss the so-called path integral collapse and propose a solution of this problem. In chapter 10 we present our conclusions and an outlook. Since we were interested in organizing our work as pedagogical as possible within the narrow scope of a diploma thesis, we decided to make extensive use of appendices. Appendices A-H are intended for students who are not familiar with several important concepts we are concerned with. We will refer to them explicitly to establish the connection between our work and the general context in which it is settled.

Study of QCD-like theories at nonzero temperatures and densities (2012)

Tian Zhang

In this thesis I use effective models to investigate the properties of QCD-like theories at nonzero temperature and baryon chemical potential. First I construct a PNJL model using a lattice spin model with nearestneighbor interactions for the gauge sector and four-fermion interactions for the quarks in (pseudo)real representations of the gauge group. Calculating the phase diagram in the plane of temperature and quark chemical potential in QCD with adjoint quarks, it is qualitatively confirmed that the critical temperature of the chiral phase transition is much higher than the deconfinement transition temperature. At a chemical potential equal to half of the diquark mass in the vacuum, a diquark Bose–Einstein condensation (BEC) phase transition occurs. In the two-color case, a Ginzburg–Landau expansion is used to study the tetracritical behavior around the intersection point of the deconfinement and BEC transition lines which are both of second order. A compact expression for the expectation value of the Polyakov loop in an arbitrary representation of the gauge group is obtained for any number of colors, which allows us to study Casimir scaling at both nonzero temperature and chemical potential. Subsequently I study the thermodynamics of two-color QCD (QC2D) at high temperature and/or density using ZQCD, a dimensionally reduced superrenormalizable effective theory, formulated in terms of a coarse grained Wilson line. In the absence of quarks, the theory is required to respect the Z2 center symmetry, while the effects of quarks of arbitrary masses and chemical potentials are introduced via soft Z2 breaking operators. Perturbative matching of the effective theory parameters to the full theory is carried out explicitly, and it is argued how the new theory can be used to explore the phase diagram of two-color QCD.

Quarkonium phenomenology in vacuum (2011)

Denis Parganlija

This thesis has light mesons and their vacuum interactions as its topic. In particular, the work examines the question where the scalar antiquark-quark states are found in the physical spectrum -- in the energy region below or above 1 GeV. Contrary to the naive expectation, the mentioned states are found in the region above 1 GeV. This has consequences for the building of order parameters for the chiral symmetry breaking of Quantum Chromodynamics (QCD).

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