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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.

Ein zentraler Bestandteil der Teilchenphysik ist die Berechnung der Zerfallsbreiten bzw. Lebensdauern von Teilchen. Die meisten bekannten Teilchen sind instabil und zerfallen in zwei oder mehr leichtere Teilchen. Die Formel für die Berechnung einer Zerfallsbreite enthält zwei verschiedene Komponenten: Die kinematischen Faktoren, die lediglich vom Anfangs- und Endzustand abhängen und aus der Energie- und Impulserhaltung folgen, und die dynamischen Faktoren, die sich aus der Art der Wechselwirkung und eventuellen Zwischenstufen ergeben. Gibt es mehrere Zerfallskanäle, die zu den gleichen Endzuständen führen, so unterscheiden diese sich nur in den dynamischen Faktoren. Aus diesem Grunde werden kinematische und dynamische Faktoren getrennt, da nur letztere für die Analyse der Wechselwirkung relevant sind. Die kinematischen Faktoren von Zwei- und Dreikörperzerfällen haben einen fundamentalen Unterschied: Beim Zweikörperzerfall ist durch die Erhaltungssätze die Verteilung der Energien der Produktteilchen komplett festgelegt, während sie bei einem Dreikörperzerfall innerhalb bestimmter Grenzen variieren kann. Ein Dreikörperzerfall kann auf zwei verschiedeneWeisen auftreten: Bei einem direkten Zerfall entstehen gleichzeitig alle drei Endprodukte. Bei einem indirekten Zerfall zerfällt das Startteilchen zuerst in zwei Teilchen, von denen eines stabil ist und das andere erneut zerfällt. Im Falle des indirekten Zerfalls haben die resultierenden Teilchen eine andere Impulsverteilung als bei einem direkten Zerfall, woraus sich Informationen über den Zwischenzustand gewinnen lassen. Im ersten Kapitel dieser Arbeit widmen wir uns der expliziten Berechnung der Zerfallsbreite für die verschiedenen Fälle. Wir beschränken uns hier und in allen weiteren Rechnungen auf skalare und pseudoskalare Teilchen, bei denen keine Spineffekte auftreten. Die Zerfallsbreite eines Dreikörperzerfalls lässt sich in einer besonders praktischen Form, dem sogenannten Dalitz-Plot, darstellen. Hierbei sind alle kinematischen Faktoren konstant und eine Darstellung der Zerfallsbreite in Abhängigkeit der entsprechenden Variablen lässt direkten Aufschluss über die Art der Wechselwirkung zu. Die Form eines Dalitz-Plots sowie dessen Interpretation ist Gegenstand des zweiten Kapitels. Im dritten Kapitel beschäftigen wir uns kurz mit der Frage, welche Auswirkungen Prozesse höherer Ordnung auf den gesamten Zerfall haben. Hierbei beschränken wir uns auf die Betrachtung von Loopbeiträgen des Zwischenzustandes eines indirekten Zerfalls. Im letzten Kapitel werden wir die theoretischen Betrachtungen am Zerfall eines pseudoskalaren Glueballs anwenden. Ein Glueball ist ein gebundener Zustand aus Gluonen, den Austauschteilchen der starken Wechselwirkung. Da die Gluonen aufgrund der nichtabelschen Struktur der Farbsymmetriegruppe selbst Farbladung tragen, ist es theoretisch möglich, Zustände nur aus Gluonen zu konstruieren, die farbneutral sind und damit den Regeln des Confinements entsprechen. Im Falle der betrachteten Glueballs tritt ein weiterer interessanter Effekt auf: Da es mehrere Zerfallskanäle gibt, die zum gleichen Endzustand führen, treten Interferenzeffekte auf, deren Auswirkung auf das Gesamtergebnis näher untersucht wird.

In this work we study basic properties of unstable particles and scalar hadronic resonances, respectively, within simple quantum mechanical and quantum field theoretical (effective) models. The term 'particle' is usually assigned to entities, described by physical theories, that are able to propagate over sufficiently large time scales (e.g. from a source to a detector) and hence could be identified in experiments - one especially should be able to measure some of their distinct properties like spin or charge. Nevertheless, it is well known that there exists a huge amount of unstable particles to which it seems difficult to allocate such definite values for their mass and decay width. In fact, for extremely short-lived members of that species, so called resonances, the theoretical description turns out to be highly complicated and requires some very interesting concepts of complex analysis. In the first chapter, we start with the basic ideas of quantum field theory. In particular, we introduce the Feynman propagator for unstable scalar resonances and motivate the idea that this kind of correlation function should possess complex poles which parameterize the mass and decay width of the considered particle. We also brie y discuss the problematic scalar sector in particle physics, emphasizing that hadronic loop contributions, given by strongly coupled hadronic intermediate states, dominate its dynamics. After that, the second chapter is dedicated to the method of analytic continuation of complex functions through branch cuts. As will be seen in the upcoming sections, this method is crucial in order to describe physics of scalar resonances because the relevant functions to be investigated (namely, the Feynman propagator of interacting quantm field theories) will also have branch cuts in the complex energy plane due to the already mentioned loop contributions. As is consensus among the physical community, the understanding of the physical behaviour of resonances requires a deeper insight of what is going on beyond the branch cut. This will lead us to the idea of a Riemann surface, a one-dimensional complex manifold on which the Feynman propagator is defined. We then apply these concepts to a simple non-relativistic Lee model in the third chapter and demonstrate the physical implications, i.e., the motion of the propagator poles and the behaviour of the spectral function. Besides that, we investigate the time evolution of a particle described by such a model. All this will serve as a detailed preparation in order to encounter the rich phenomena occuring on the Riemann surface in quantum field theory. In the last chapter, we finally concentrate on a simple quantm field theoretical model which describes the decay of a scalar state into two (pseudo)scalar ones. It is investigated how the motion of the propagator poles is in uenced by loop contributions of the two (pseudo)scalar particles. We perform a numerical study for a hadronic system involving a scalar seed state (alias the σ-meson) that couples to pions. The unexpected emergence of a putative stable state below the two-pion threshold is investigated and it is claeifieed under which conditions such a stable state appears.

Ziel dieser Bachelorarbeit war die Vorstellung und die Untersuchung eines effektiven, mesonischen Drei-Flavor-Modells der Quantenchromodynamik und dessen Phänomenologie. Dazu wurden zunächst die Kopplungskonstanten a und b des Modells durch die Berechnung dominanter Zerfallsbreiten der im Modell enthaltenen Axialvektor- und Pseudovektor-Mesonen festgelegt. Dabei wurde für die Festlegung der Kopplungskonstanten a der Zerfall von f1 (1420) in KK*(892) verwendet. Die so berechnete Kopplungskonstante wurde anschließend unter Verwendung des ρπ-Zerfalls von a1 (1260) auf Konsistenz geprüft. Das dadurch erhaltene Resultat von Γa1--> ρπ= (443:962 ± 13:456) MeV liegt sehr gut in dem von der particle data group angegebenen Wertebereich der Gesamtbreite von a1 (1260). Die Festlegung und Berechnung der Kopplungskonstante b des Pseudovektor-Sektors war Gegenstand der Bachelorarbeit von Lisa Olbrich, so dass in dieser Arbeit nur die Resultate dieser Rechnung präsentiert wurden. Jedoch passen die dort erzielten Resultate auch mit guter Genauigkeit zu den experimentell bestimmten Werten der particle data group. Das zweite Ziel dieser Bachelorarbeit war die Untersuchung der im Modell enthaltenen Mischungseffekte der Kaonen-Felder von K1 (1270) und K1 (1400). Zunächst waren im Axialvektor- und Pseudovektor-Nonet dieses Modells nur unphysikalische Kaonen-Felder K1;A und K1;B enthalten. Durch den Mischungsterm Lmix der Lagrange-Dichte des Modells existieren allerdings Mischterme beider Felder. Diese Mischterme wurden durch die Einführung der physikalischen Felder K1 (1270) und K1 (1400), welche durch eine SU(2)-Drehung aus den unphysikalischen Feldern hervorgehen, zum Verschwinden gebracht. Dies hat allerdings zur Folge, dass die Wechselwirkungsterme der physikalischen Felder K1 (1270) und K1 (1400) nun über eine gedrehte Kopplungskonstante koppeln. Diese gedrehte Kopplungskonstante ist eine Funktion der ursprünglich bestimmten Kopplungskonstanten a; b und eines Mischwinkels Φ. Dieser Mischungswinkel wurde von uns über den K? (892) π-Zerfall von K1 (1270) festgelegt. Anschließend konnten wir unter Verwendung des so berechneten Mischungswinkels Φ die Zerfallsbreite von K1 (1400) berechnen und mit den experimentell festgelegten Daten der particle data group vergleichen. Auch hier konnten wir eine gute Übereinstimmung unserer durch das Modell vorhergesagten Daten mit den experimentell bestimmten Werten erzielen.

Das Ziel dieser Bachelorarbeit war es, einen Überblick über die Größe der, durch Einbeziehung des Loop-Level-Diagrammes entstehenden, Korrekturen zu erhalten. Die Ergebnisse sollen eingrenzen, wann diese Korrekturen wichtig oder sogar dominant sind. Der Einfluss der Korrekturen lässt sich gut mit Hilfe von g0 und g00 einschätzen. So gilt für g0 gerade Γntl = 1.33 Γ, die Korrekturen sind also für die Berechnung wichtig jedoch nicht dominant. Für g00 beginnen die Korrekturen gerade dominant gegenüber den Berechnungen in erster Ordnung zu werden (es gilt hier Γntl = 2 Γ). Wie anhand von Tabelle 7.2 zu sehen werden die Korrekturen, abhängig von der Massenkonfiguration, ab etwa 1.6 − 2.2mS wichtig und ab etwa 2.2 − 3.4mS dominant. Für sehr kleine Massen mΦ liegt diese Grenze natürlich niedriger, es wurde jedoch gezeigt, dass die Korrekturen selbst für mΦ = 10−13mS erst ab etwa 0.65mS dominant sind. Praktisch dürften die Korrekturen daher nur sehr selten, wenn überhaupt für Werte von g < mS, eine nennenswerte Rolle spielen. Welchen Einfluss die Korrekturen bei realen Zerfallskanälen haben, sollte nun anhand der Zerfälle von f0(500), f0(980), f0(1370) und f0(1500) in Pionen gezeigt werden. Zusätzlich wurde für den Zerfall von f0(500) die Berechnung ein weiteres Mal mit endlichem (niedrigen) Cutoff durchgeführt, um dessen Auswirkungen auf die Ergebnisse zu betrachten. Dies ist dann wichtig, wenn die beobachteten Teilchen eine endliche, räumliche Ausdehnung haben (beispielsweise wenn wie hier Hadronenzerfälle betrachtet werden). Für f0(980) und f0(1500) stellen sich die Korrekturen, wie aufgrund der vorherigen Ergebnisse und des sehr kleinen Verhältnisses von Zerfallsbreite und Masse bereits erwartet, mit 1.22% beziehungsweise 0.032% als sehr gering heraus. Für f0(1370) ist das Verhältnis bereits deutlich größer, hier sind die Korrekturen mit 7.43% bereits im hohen einstelligen Prozentbereich und damit für genaue Rechnungen durchaus wichtig. Für f0(500) zeigt sich nun wiederum, dass die Korrekturen sehr groß sind, die Loop-Level-Kopplungskonstanten ist um 24.57% kleiner. Für diesen Zerfalll sollte also bereits bei einer Abschätzung das Loop-Level Diagramm einbezogen werden. Stellt man die Berechnung mit endlichem Cutoff an, so stellt sich heraus, dass sich die exakten Werte zwar durchaus verändern, die Änderungen sind jedoch nicht so groß dass die Ergebnisse drastisch abweichen. Die Kopplungskonstante wird bei dem angenommenen Cutoff Λ = 0.95 GeV um 6.47% größer. In allen Varitionen fallen die Korrekturen kleiner als 33% aus. Als letztes ist die Genauigkeit der hier erhaltenen Ergebnisse zu beurteilen. Theoretisch sollten die numerischen Berechnungen mit beliebiger Genauigkeit durchführbar sein. Bei den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Berechnungen trat jedoch das Problem auf, dass die numerischen Berechnungen des Integrals für Winkel sehr nahe 0° beziehungsweise 180° chaotisch wurden. Die Winkelintegration wurde daher nur von −0.99999 bis 0.99999 durchgeführt. Da das Impulsintegral bei diesen Winkeln etwa von der Größe 0.1 − 2 ist, abhängig von der Massenkonfiguration, entstehen dadurch Fehler der Größenordnung 10−5. Die Ursache für diesen Fehler liegt vermutlich darin begründet, dass sich für diese Winkel jeweils der dritte Pol auf den ersten und der vierte Pol auf den zweiten Pol verschiebt. In diesem Fall entsteht zwar an gleicher Stelle im Zähler eine Nullstelle (schaut man sich P1, P2 und P3 an, so befinden sich an diesen Stellen auch nur einfache Pole), die numerische Berechnung kann dadurch allerdings problematisch werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Genauigkeit von 4 Nachkommastellen allerdings als ausreichend betrachtet. Abschließend lässt sich sagen, dass die Korrekturen in (fast) allen betrachteten Fällen klein sind. In Einzelfällen können sie allerdings durchaus relevante Dimensionen erreichen, wie am f0(500) Zerfall zu sehen ist. In zukünftigen Arbeiten sollte dieses Thema also auch für Wechselwirkungen mit Ableitungen und nicht-skalare Teilchen aufgegriffen werden.