京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23685号 / 理博第4775号 / 新制||理||1684(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科数学・数理解析専攻 / (主査)教授 荒川 知幸, 教授 玉川 安騎男, 教授 並河 良典 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

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We study constraints imposed on a general unitary two-dimensional conformal field theory by modular invariance. We begin with a review of previous bounds on the conformal dimension Delta1 of the lowest primary operator assuming unitarity, a discrete spectrum, modular invariance, cL, cR > 1, and no extended chiral algebra. We then obtain bounds on the conformal dimensions Delta2, Delta3 using no additional assumptions. We also show that in order to find a bound for Delta4 or higher Deltan, we need to assume a larger minimum value for ctot that grows logarithmically with n. We next extend the previous results to remove the requirement that our two-dimensional conformal field theories have no extended chiral algebra. We then show that modular invariance also implies an upper bound on the total number of states of positive energy less than ctot=24 (or equivalently, states of conformal dimension between ctot=24 and ctot=12), in terms of the number of negative energy states. Finally, we consider the case where the CFT has a gravitational dual and investigate the gravitational interpretation of our results. Using the AdS3/CFT2 correspondence, we obtain an upper bound on the lightest few massive excitations (both with and without the constraint of no chiral primary operators) in a theory of 3D matter and gravity with Lambda < 0. We show our results are consistent with facts and expectations about the spectrum of BTZ black holes in 2+1 gravity. We then discuss the upper and lower bounds on number of states and primary operators in the dual gravitational theory, focusing on the case of AdS3 pure gravity.

O objetivo deste trabalho é calcular a ação de teoria de campos de supercordas para os dois primeiros níveis de massa da supercorda, incluindo os dois setores de projeção GSO. Considerando uma corda tipo II-A na presença de uma D9-brana instável, calcula-se a ação para o táquion, o campo de gauge e os férmions GSO(+) e GSO(-). O trabalho é realizado usando o formalismo híbrido e usando-se a ação de campos de supercordas de Berkovits, que inclui o setor Ramond. Para tanto, inclui-se amplo material de revisão sobre teorias e teorias de campos de supercordas. A construção de operadores de vértice GSO(-) no formalismo híbrido é feita em detalhes. Considerações sobre a ação obtida e perspectivas futuras do trabalho são discutidas no final. / The goal of this work is to compute the superstring field theory action contribution for the two first mass level of the superstring, including both GSO sectors. A type IIA superstring in the presence of an unstable non-BPS D9 brane is considered and the computation of the action for the Tachyon, Gauge Field and Massless fermions from GSO(+) and GSO(-) sectors is done. The main work is accomplished using the hybrid formalism and the superstring field theory action of Berkovits, including the Ramond Sector. This task is accomplished by including revision material thoroughly, for conformal and super conformal field theory. Construction of physical GSO(-) vertex operators is considered in detail. At the end, theres a discussion about the action for these fields and some future perspectives are considered.

La thèse, composée de trois parties, est consacrée à des problèmes physiques différents reliés à la Théorie Conforme des Champs (CFT) bidimensionnelle. La première partie s'intéresse aux propriétés de transport hors d'équilibre à travers une jonction de fils quantiques. Trois modèles y sont étudiés. Le premier décrit les fils par un champs bosonique libre compactifié vu comme la bosonisation du liquide de Luttinger d'électrons. La jonction des fils est modélisée par une condition limite assurant la diffusion non triviale des charges entre les fils. Associant la quantification canonique et l'intégrale fonctionnelle, on calcule exactement les fonctions de corrélation des courants dans l'état d'équilibre du modèle, mais aussi dans un état stationnaire hors d'équilibre, ainsi que la statistique complète de comptage pour les transferts de charge et d'énergie entre les fils maintenus en températures et potentiels différents. Les deux autres modèles d'une jonction de fils quantiques sont basés sur la théorie de Wess-Zumino-Witten (WZW). Dans le premier, la jonction est décrite par une "brane cyclique" et dans le deuxième, par une "brane coset". Les résultats dans le premier cas sont aussi complets que pour le champ libre, mais les charges y sont entièrement transmises d'un fils au suivant. Dans le deuxième cas, la diffusion des charges n'est pas triviale, mais le modèle se révèle difficile à résoudre. La deuxième partie de la thèse étudie les anomalies globales de jauge dans les modèles "coset" de CFT réalisés comme la théorie WZW jaugée. La classifications (presque) complète de telles anomalies, lesquelles rendent certains modèles coset inconsistants, est présentée. Elle emploie la classification des sous-algèbres des algèbres de Lie simples due à Dynkin. Finalement, la troisième partie de la thèse décrit la construction géométrique d'indice des familles d'opérateurs unitaires obtenues des projecteurs sur les bandes de valence d'un isolant topologique bidimensionnel invariant par renversement du temps. L'indice construit est relié d'un côté à la racine carrée de l'amplitude de Wess-Zumino d'une telle famille, et, de l'autre, il reproduit l'invariant de Kane-Mele de l'isolant. La dernière identification exige un argument complexe qui exploite une nouvelle anomalie de jauge pour les modèles WZW à bord. Les trois parties de la thèse emploient des outils géométriques de CFT assez semblables, permettant d'obtenir toute une série des résultats originaux. Cette unité de méthode, ainsi que le thème des anomalies, constituent le trait d'union entre les différents composants du manuscrit. / The thesis, consisting of three parts, is focusing on different physical problems that are related to two dimensional Conformal Field Theory (CFT).The first part deals with nonequilibrium transport properties across a junction of quantum wires. Three models are studied. The first one describes the wires by a free compactified bosonic field, seen as the bosonization of the Luttinger liquid of electrons. The junction of the wires is modeled by a boundary condition that ensures nontrivial scattering of the charges between the wires. Combining canonical quantization and functional integral, we compute exactly the current correlation functions in equilibrium, but also in a nonequilibrium stationary state, as well as the full counting statistics of charge and energy between the wires set at different temperatures and potentials. The two other models of quantum wire junction are based on Wess-Zumino-Witten theory (WZW). In the first one, the junction is described by a “cyclic brane” and in the second, by a “coset brane”. The results in the first case are as complete as for the free field, but the charges are fully transmitted from one wire to the next one. In the second case, the scattering is nontrivial, but the model turns out to be difficult to solve.The second part of the thesis studies the global gauge anomalies in “coset” models of CFT, realized as gauged WZW theories. The (almost) complete classification of such anomalies, that lead to some inconsistent coset models, is presented. It is based on Dynkin classification of subalgebras of simple Lie algebras.Finally, the third part of the thesis describes the geometric construction of index from unitary operator families obtained from valence band projectors of a two-dimensional time-reversal invariant topological insulator. The index is related on one hand to the square root of the Wess-Zumino amplitude of such a family, and, on the other hand, it reproduces the Kane-Mele invariant of the insulator. The last identification requires a nontrivial argument that uses a new gauge anomaly of WZW models with boundary.The three parts of the thesis use similar geometrical tool of CFT, that permits to obtain several original results. The unity in the method, as well as the topic of anomalies, builds a bridge between the different components of the manuscript.

In dieser Dissertation stellen wir moderne analytische Methoden zur Untersuchung von konformen Feldtheorien (CFTs) in mehr als zwei Dimensionen vor. Mit Hilfe dieser Methoden können das Spektrum der Theorie und die Operatorprodukt-Koeffizienten (OPE-Koeffizienten) ermittelt werden. Zunächst untersuchen wir das Spektrum lokaler Operatoren in CFTs auf einem Defekt mit Kodimension größer eins. Wir zeigen, dass für großen transversalen Spin s das Spektrum jeder Theorie abzählbar unendlich viele Häufungspunkte aufweist. Der Spin s ist die Quantenzahl, die zu der Untergruppe der Lorentzgruppe gehört, welche den Defekt invariant lässt. Des Weiteren finden wir die OPE-Koeffizienten und die anomalen Dimensionen der zu den Häufungspunkten gehörenden Operatoren in einer Entwicklung in 1/s mit Hilfe von Lichtkegel-Bootstrap-Techniken. Außerdem leiten wir aus der Diskontinuität der kausalen Zweipunktfunktion die Operatordimensionen und OPE-Koeffizienten als analytische Funktionen von s her. Im zweiten Teil dieser Arbeit führen wir die Mellindarstellung von konformen Korrelationsfunktionen ein. In dieser Darstellung sind das Spektrum und die OPE-Koeffizienten manifest enthalten. Wir legen den Fokus auf die Beschreibung von Vierpunktfunktionen in drei Dimensionen von entweder ausschließlich Spin 1/2 Operatoren oder einer Mischung aus Spin 1/2 und skalaren Operatoren. Nachdem wir für diese Vierpunktfunktionen die Mellinamplituden definieren, untersuchen wir die Polstruktur dieser genauer. Im Anschluss illustrieren wir die Analyse an konkreten Mellinamplituden von fermionischen Wittendiagrammen und konformen fermionischen Feynmandiagrammen. Im letzten Teil untersuchen wir die OPE im Kontext der Holographie. Hierbei leiten wir theorieunabhängige Beziehungen zwischen den OPE-Koeffizienten der Weltflächen-CFT einer Stringtheorie in Anti-de-Sitter-Raumzeit und der dualen CFT her. / In this thesis, we discuss some modern analytical approaches to studying conformal field theories (CFTs) in dimensions greater than two. The results thus derived pertain to the dynamical data that define a generic CFT, namely the spectrum of operators and the coefficients in the operator product expansion (OPE). We begin with an investigation of the spectrum of local operators supported on conformal defects of codimension greater than one and establish the existence therein of a countably infinite number of universal accumulation points at large transverse spin s. Here, s is a quantum number associated with the symmetry under the Lorentz transformations that preserve the defect. Using lightcone bootstrap techniques, we calculate the anomalous dimensions and OPE coefficients of the operators that populate these accumulation points in a large s expansion. Furthermore, we derive an integral formula to obtain the CFT data associated with the defect theory from the discontinuity in the causal two-point function of scalar operators in the ambient theory, thereby inverting the expansion of this correlator in the defect channel. This formula extracts the operator dimensions and OPE coefficients in an analytic function in s and also enables us to resum the large s expansion obtained using lightcone bootstrap. Thereafter we move on to a discussion of the Mellin representation of fermionic conformal correlators. The dynamical data in CFTs is manifest in the analytic properties of Mellin amplitudes. We define, concretely for three spacetime dimensions, the Mellin amplitudes associated with the four-point function of spin-half operators and the mixed four-point function of spin-half and scalar operators. We analyze the pole structure of these Mellin amplitudes and illustrate the general features thus unraveled with some explicit computations of Mellin amplitudes associated with Witten diagrams and conformal Feynman integrals with fermionic legs. Finally we look at the OPE in the context of holography and derive a set of theory independent relations between OPE coefficients in the worldsheet CFT of a string theory in anti-de Sitter spacetime and those in the dual CFT.

The conformal bootstrap method is a non-perturbative method that uses the symmetry in a conformal field theory to constrain and solve for the observables in the theory. We consider a conformal field theory with the symmetry group SU(N) and four general scalar fields as the only low dimensional operators. The four-point correlation function of a quartic interaction of four general scalar fields in a conformal field theory can be written as a sum over primary operators. In order to study the four-point correlator a large-N expansion is made, where N comes from the symmetry group SU(N). Using the conformal bootstrap method the anomalous dimension of the primary operators in the four-point correlator is calculated. Using the AdS/CFT correspondence the anomalous dimension of the primary operators is also calculated using Witten diagrams. / Konform fältteori är en kvantfältteori med konform symmetri. Konform symmetri är en symmetri som bevarar vinklar och lokalt ser ut som en kombination av en rotation och en förändring i skala. En metod för att beräkna de observerbara kvantiteterna i en konform fältteori är metoden "conformal boostrap". Denna metod går ut på att använda symmetrin i en konform fältteori för att begränsa och beräkna värdet på de observerbara kvantiteterna i teorin.En av de observerbar kvantiteterna i en fältteori är en korrelationsfunktion. Korrelationsfunktioner beskriver interaktionerna mellan partiklarna i en fältteori.  I detta arbete studerar vi en interaktion mellan fyra skalärfält genom att studera fyra-punkts korrelationsfunktionen för denna interaktion. Metoden vi använder är "conformal bootstrap" men vi testar också om AdS/CFT dualiteten håller för våra beräkningar. AdS/CFT dualiteten är en ekvivalens av två olika teorier, en strängteori i ett (d+1)-dimensionellt anti-de Sitter (AdS) rum och en konform fältteori (CFT) i den d-dimensionella gränsen av anti-de Sitter rummet. Enligt denna dualitet kan en observerbar kvantitet beräknas från båda dessa två teorier och ge samma resultat. Teorin vi studerar har symmetrigrupp SU(N) och vi arbetar i dimension två. Vi arbetar också med att N, matrisrangen i teorin, är stort då detta är den gräns där AdS/CFT dualiteten gäller. Enligt konform fältteori så kan en fyra-punkts korrelationsfunktion av fyra skalärer beskrivas som en summa över vad som kallas primära fält. Genom att använda "conformal bootstrap" metoden beräknas den anormala dimensionen, vilket är en korrektion av första icke-triviala ordning till dimensionen, av dessa primära fält. Samma kvantitet beräknas också från strängteorisidan av AdS/CFT dualiteten genom användandet av så kallade Witten diagram. Resultatet från båda sidor av dualiteten visas stämma överens.

Les phases topologiques sont des phases qui existent au delà du paradigme de Ginzburg-Landau qui dominait jusqu’à présent la compréhension des phases et transitions de phases qui apparaissent dans les systèmes de matière condensée. Des exemples paradigmatiques ont été créés pour établir un nouveau socle théorique qui rend compte de cet aspect topologique. La phase de Haldane de spin 1 est l’exemple souvent retenu pour les systèmes unidimensionnels.La présente thèse propose d’étudier cette phase et de lui trouver des généralisations en se concentrant sur l’étude d’un moyen de l’implémenter expérimentalement à l’aide d’atomes alcalino-terreux fermioniques ultra-froids qui présentent la symétrie SU(N). Le modèle qui explique cette expérience, dit de double-puits car il décrit un réseau de deux chaînes en interactions, est analysé dans son régime de couplage faible, de couplage fort et par l’outil numérique. Au demi-remplissage, et dans le régime où les répulsions entre particules au sein d’un même puits, et entre puits qui se font face, sont importantes, une phase topologiqueprotégée par la symétrie de type Haldane est systématiquement attendue pour tout N, dont la phase "chirale" Haldane. Le modèle effectif obtenu lorsque N Æ 3, l’échelle de spin 3-3bar (à deux chaînes de spins, l’une dans la représentation fondamentale de SU(3), l’autre dans sa représentation conjuguée), y est détaillée. / Topological phases exist beyond the standard Ginzburg-Landau paradigmthat dominated the understanding of phases and phase transitions in condensed matter systems. Paradigmatic examples have been derived to establish a new theoretical basis that takes into consideration these topological aspects. The spin 1 Haldane phase is one of them for the unidimensional case. The present thesis aims to study this phase as well as its suggested generalizations by focusing on a way to implement them experimentally using ultracold fermionic alkaline-earth atoms, that involve an internal SU(N) symmetry. The model describing the experiment is called the double-well model and depicts a lattice of two interacting chains. The model is analysed at weak coupling, strong coupling and using a numerical tool. At half-filling and inthe regime of srong repulsions between particles in the same well as well as two facing wells, a Haldane-like symmetry-protected topological phase is systematically expected for all N, including the "chiral" Haldane phase. The effective model obtained when N Æ 3 is the 3-3bar ladder model (describing two spin chains, one in the fondamental representation of SU(N), and the other in its conjuguate) and is particulary explored.

La théorie de cordes unifie de façon naturelle les théories de jauge, qui décrivent les interactions entre les particules élémentaires, avec une théorie quantique de la gravitation. Ces dernières années ont apporté de grands progrès dans la compréhension des états non-perturbatifs de la théorie, ses aspects holographiques, ainsi que la construction de modèles proches du Modèle Standard. Néanmoins, il reste des défis pour la théorie de cordes, qui incluent une définition non-perturbative, une meilleure compréhension de l'holographie, et le problème de la constante cosmologique. Ma recherche s'est concentrée sur des aspects formels des théories de gravitation quantique, qui incluent les trous noirs, la dépendance du temps, et l'holographie. Gr^ace à de nouveaux résultats dans le domaine de la théorie conforme avec spectre continu, mes collaborateurs et moi-m^eme avons avancé dans la compréhension de l'holographie dans des fonds avec dilaton linéaire, ainsi que dans le plongement de théories de jauge supersymétriques dans la théorie de cordes. En particulier, on a étudié des théories conformes supersymétriques avec spectre continu que l'on utilise pour construire des fonds de théories de cordes non-compacts et courbés. Les résultats obtenus nous ont permis de décrire des exemples explicites de symétrie miroir pour des fonds non-compacts. En introduisant des bords dans les théories conformes, on a analysé des états non-perturbatifs de la théorie de cordes, les D-branes. A basse énergie, les degrés de liberté sur les D-branes interagissent par des interactions de jauge. Avec ces outils, on a réussi à plonger une dualité infrarouge de théorie de jauge supersymétrique dans la théorie de cordes, et on a montré que la dualité correspond à une monodromie pour les états de bord dans l'espace de modules de la théorie conforme.<br><br> Dans cette thèse, on discute de nombreux autres liens entre la théorie conforme, la théorie de jauge et la gravitation. La plupart des contributions décrites étaient motivées par la théorie de cordes. Des exemples sont l'analyse d'états qui préservent la supersymétrie et leur lien avec les algèbres affines, la dépendance du temps et le dictionnaire holographique, l'analyse directe de la quantification de la gravité en présence d'un trou noir, la réalisation du scenario sans-bord pour la fonction d'onde de l'univers en théorie de cordes, une formule de Verlinde pour les théories conformes non-rationnelles et la construction de solutions non-géometriques à la supergravité. Dans d'autres travaux, je me suis concentré sur des théories qui quantifient la gravité plus directement, mais qui pourraient avoir moins de succès dans le problème de l'unification des forces en quatre dimensions. Ces théories ont quand-m^eme le potentiel de nous apprendre des aspects communs à toute théorie de gravitation quantique. Par exemple, on a analysé les degrés de liberté responsables de l'entropie d'un trou noir en trois dimensions, et nous avons argumenté sur la difficulté de reconcilier l'invariance modulaire avec l'unitarité en dehors de la théorie de cordes. On a aussi discuté la diffusion de ces trous noirs. D'autres contributions à la théorie de jauge non-commutative, la théorie de jauge supersymétrique, la production de paires dans un espace courbe, et cetera, sont aussi relativement indépendantes du cadre de la théorie de cordes.<br><br> Il me semble qu'il reste intéressant d'étudier des questions difficiles sur la théorie de jauge et la gravitation quantique, dans la cadre de la théorie de cordes, et en dehors de ce cadre, et d'^etre guidé par des problèmes ouverts durs qui doivent mener à un progrès concret par incréments ou par sauts.

<p>This thesis describes some aspects of noncommutative geometry and conformal field theory. The motivation for the investigations made comes to a large extent from string theory. This theory is today considered to be the most promising way to find a solution to the problem of unifying the four fundamental interactions in one single theory. The thesis gives a short background presentation of string theory and points out how noncommutative geometry and conformal field theory are of relevance within the string theoretical framework. There is also given some further information on noncommutative geometry and conformal field theory. The results from the three papers on which the thesis is based are presented in the text. It is shown in Paper 1 that, for a gauge theory in a flat noncommutative background only the gauge groups <i>U(N)</i> can be used in a straightforward way. These theories can arise as low energy limits of string theory. Paper 2 concerns boundary conformal field theory, which can be used to describe open strings in various backgrounds. Here different orbifold theories which are described using simple currents of the chiral algebra are investigated. The formalism is applied to ``branes´´ in <b>Z</b>₂<b> </b>orbifolds of the <i>SU(2)</i> WZW-model and to the <i>D</i>-series of unitary minimal models. In Paper 3 two different descriptions of an invariant star-product on <i>S²</i> are compared and the characteristic class that classifies the star-product is calculated. The Fedosov-Nest-Tsygan index theorem is used to compute the characteristic class.</p>