Instantons in quantum field theory

It appears that the fundamental interactions of nature which are electromagnetic, strong and weak interactions are gauge type. The following analysis basically concerns quantum chromodynamics(QCD) which is a non-abelian gauge theory that respects the gauge symmetry of the SU(3) group. Although in Qu...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Αθανασιάδης, Γεώργιος
Άλλοι συγγραφείς: Athanasiadis, Georgios
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/25098
id nemertes-10889-25098
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Quantum field theory
Quantum chromodynamics
Yang-Mills theories
Κβαντική θεωρία πεδίου
Κβαντική χρωμοδυναμική
Θεωρίες Yang-Mills
spellingShingle Quantum field theory
Quantum chromodynamics
Yang-Mills theories
Κβαντική θεωρία πεδίου
Κβαντική χρωμοδυναμική
Θεωρίες Yang-Mills
Αθανασιάδης, Γεώργιος
Instantons in quantum field theory
description It appears that the fundamental interactions of nature which are electromagnetic, strong and weak interactions are gauge type. The following analysis basically concerns quantum chromodynamics(QCD) which is a non-abelian gauge theory that respects the gauge symmetry of the SU(3) group. Although in Quantum Field Theory most of the phenomena are treated as perturbative effects, here we will present some non-perturbative ones that happens to give big contribution in QCD. As we shall see, those effects give a nice description for the structure of the vacuum of QCD which remains unknown. We are starting our analysis with some analogs in Quantum mechanics that appear to be simple for understanding and give us a nice illustration of these effects which are called instantons. Instantons are tunneling effects that appear between minimum energy states of our system and give us some contribution to the energy of the vacuum. What concerns us the most is how instantons appear in any Yang-Mills theory and as a result, in QCD as well. We will see that there are some topological issues that separate the classical minimas of the energy in a Yang-Mills theory into distinct classes and therefore instanton occur as tunneling trajectories between these minimas. We will also introduce the θ vacuum which is a way of describing the vacuum of QCD as a superposition of these minimum states which are connected through instantons. We will examine a special category of instantons called BPST instanton as it turns out that this is the one that gives the most contribution in QCD phenomena and thus it is the only one worth analyzing. Therefore, we find some explicit solutions for the BPST instanton which later will be used in some calculations. These calculations will give us in detail the contribution of instantons in the vacuum of any Yang-Mills theory and especially in QCD. The last chapter focuses mainly in solution of a big problem in QCD which comes with the insertion of instantons in Yang-Mills theory. This problem is known as the U(1) problem and appears when massless fermions are included in our theory and the analysis describes how instantons appear to solve this problem.
author2 Athanasiadis, Georgios
author_facet Athanasiadis, Georgios
Αθανασιάδης, Γεώργιος
author Αθανασιάδης, Γεώργιος
author_sort Αθανασιάδης, Γεώργιος
title Instantons in quantum field theory
title_short Instantons in quantum field theory
title_full Instantons in quantum field theory
title_fullStr Instantons in quantum field theory
title_full_unstemmed Instantons in quantum field theory
title_sort instantons in quantum field theory
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/25098
work_keys_str_mv AT athanasiadēsgeōrgios instantonsinquantumfieldtheory
AT athanasiadēsgeōrgios instantonsstēnkbantikētheōriapediou
_version_ 1771297215002705920
spelling nemertes-10889-250982023-06-20T03:54:13Z Instantons in quantum field theory Instantons στην κβαντική θεωρία πεδίου Αθανασιάδης, Γεώργιος Athanasiadis, Georgios Quantum field theory Quantum chromodynamics Yang-Mills theories Κβαντική θεωρία πεδίου Κβαντική χρωμοδυναμική Θεωρίες Yang-Mills It appears that the fundamental interactions of nature which are electromagnetic, strong and weak interactions are gauge type. The following analysis basically concerns quantum chromodynamics(QCD) which is a non-abelian gauge theory that respects the gauge symmetry of the SU(3) group. Although in Quantum Field Theory most of the phenomena are treated as perturbative effects, here we will present some non-perturbative ones that happens to give big contribution in QCD. As we shall see, those effects give a nice description for the structure of the vacuum of QCD which remains unknown. We are starting our analysis with some analogs in Quantum mechanics that appear to be simple for understanding and give us a nice illustration of these effects which are called instantons. Instantons are tunneling effects that appear between minimum energy states of our system and give us some contribution to the energy of the vacuum. What concerns us the most is how instantons appear in any Yang-Mills theory and as a result, in QCD as well. We will see that there are some topological issues that separate the classical minimas of the energy in a Yang-Mills theory into distinct classes and therefore instanton occur as tunneling trajectories between these minimas. We will also introduce the θ vacuum which is a way of describing the vacuum of QCD as a superposition of these minimum states which are connected through instantons. We will examine a special category of instantons called BPST instanton as it turns out that this is the one that gives the most contribution in QCD phenomena and thus it is the only one worth analyzing. Therefore, we find some explicit solutions for the BPST instanton which later will be used in some calculations. These calculations will give us in detail the contribution of instantons in the vacuum of any Yang-Mills theory and especially in QCD. The last chapter focuses mainly in solution of a big problem in QCD which comes with the insertion of instantons in Yang-Mills theory. This problem is known as the U(1) problem and appears when massless fermions are included in our theory and the analysis describes how instantons appear to solve this problem. Φαίνεται ότι οι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις της φύσης που είναι ηλεκτρομαγνητικές, ισχυρές και ασθενείς αλληλεπιδράσεις είναι θεωρίες βαθμίδας. Η ακόλουθη ανάλυση αφορά βασικά την κβαντική χρωμοδυναμική (QCD) που είναι μια μη αβελιανή θεωρία βαθμίδας που υπακούει τη συμμετρία βαθμίδας της ομάδας SU(3). Αν και στην Κβαντική Θεωρία Πεδίου τα περισσότερα από τα φαινόμενα αντιμετωπίζονται ως διαταραχές, εδώ θα παρουσιάσουμε μερικά μη διαταρακτικά που τυχαίνει να συμβάλλουν σημαντικά στην QCD. Όπως θα δούμε, αυτά τα φαινόμενα δίνουν μια ωραία περιγραφή για τη δομή του κενού της QCD που παραμένει άγνωστη. Ξεκινάμε την ανάλυσή μας με κάποια ανάλογα στην Κβαντομηχανική που φαίνεται να είναι απλά για κατανόηση και μας δίνουν μια ωραία απεικόνιση αυτών των φαινομένων που ονομάζονται instantons. Τα Instantons είναι φαινόμενα σήραγγας που εμφανίζονται μεταξύ των ελάχιστων ενεργειακών καταστάσεων του συστήματός μας και μας δίνουν κάποια συμβολή στην ενέργεια του κενού. Αυτό που μας απασχολεί περισσότερο είναι πώς εμφανίζονται τα instantons σε οποιαδήποτε θεωρία Yang-Mills και ως εκ τούτου και στην QCD. Θα δούμε ότι υπάρχουν κάποια τοπολογικά ζητήματα που διαχωρίζουν τα κλασικά ελάχιστα της ενέργειας σε μια θεωρία Yang-Mills σε διακριτές τάξεις και επομένως τα instantons εμφανίζονται ως τροχιές σήραγγας μεταξύ αυτών των ελάχιστων. Θα εισαγάγουμε επίσης την θ vacuum που είναι ένας τρόπος να περιγράψουμε την κατάσταση κενού της QCD ως υπέρθεση αυτών των ελάχιστων καταστάσεων που συνδέονται μέσω των instantons. Θα εξετάσουμε μια ειδική κατηγορία instanton που ονομάζεται BPST instanton καθώς αποδεικνύεται ότι αυτή είναι που συνεισφέρει περισσότερο στα φαινόμενα της QCD και επομένως είναι η μόνη που αξίζει να αναλυθεί. Επομένως, βρίσκουμε ορισμένες σαφείς λύσεις για το BPST instanton οι οποίες αργότερα θα χρησιμοποιηθούν σε ορισμένους υπολογισμούς. Αυτοί οι υπολογισμοί θα μας δώσουν αναλυτικά τη συμβολή των instantons στο κενό οποιασδήποτε θεωρίας Yang-Mills και ειδικότερα της QCD. Το τελευταίο κεφάλαιο εστιάζει κυρίως στην επίλυση ενός μεγάλου προβλήματος της QCD η οποίο έρχεται με την εισαγωγή των instantons στις θεωρίες Yang-Mills. Αυτό το πρόβλημα είναι γνωστό ως πρόβλημα U(1) και εμφανίζεται όταν τα φερμιόνια χωρίς μάζα περιλαμβάνονται στη θεωρία μας και η ανάλυση περιγράφει πώς τα instantons να λύσουν αυτό το πρόβλημα. 2023-06-19T06:07:23Z 2023-06-19T06:07:23Z 2023-04 https://hdl.handle.net/10889/25098 en application/pdf