Submitted by Anderson Nogueira (andsogueira@hotmail.com) on 2016-03-08T21:06:11Z No. of bitstreams: 1 Tese-Anderson.pdf: 1337697 bytes, checksum: 95996aacf55769a399e7a2c11a2a1e5f (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-03-09T18:28:05Z (GMT) No. of bitstreams: 1 nogueira_aa_dr_ift.pdf: 1337697 bytes, checksum: 95996aacf55769a399e7a2c11a2a1e5f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-09T18:28:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 nogueira_aa_dr_ift.pdf: 1337697 bytes, checksum: 95996aacf55769a399e7a2c11a2a1e5f (MD5) Previous issue date: 2016-02-26 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho tem como objetivo explorar a dinâmica quântica de interação entre partículas escalares e vetoriais e estudar o equilíbrio termodinâmico dessas partículas no ensemble gran-canônico. A dinâmica de interação, escrita em uma linguagem covariante entre o campo de matéria (escalar) e o campo intermediador de interação (vetorial), apresenta uma simetria de calibre local, U(1) no caso quântico e SO(4) no equilíbrio termodinâmico. Sendo assim dividimos o trabalho em dois setores. No primeiro setor analisamos sistematicamente a interação quântica entre partículas escalares (mésons) e partículas vetoriais (fótons) no contexto da eletrodinâmica quântica escalar generalizada de Duffin-Kemmer-Petiau (GSDKP). Para isso quantizamos a teoria, utilizando uma abordagem funcional. Construímos a estrutura Hamiltoniana do sistema seguindo a metodologia de Dirac, o procedimento de Faddeev-Senjanovic para obter a amplitude de transição no calibre de Coulomb generalizado e o método de Faddeev-Popov-DeWitt para escrever a amplitude de transição anterior de maneira covariante na condição de calibre no-mixing. Daí, escrevendo o funcional gerador via Schwinger, as equações de Schwinger-Dyson (SD) e as identidades de Ward-Takahashi (WT) são obtidas. Como introdução à análise das correções radiativas, fizemos um cálculo quantitativo para ver os tipos de divergências superficiais (ultravioleta) que poderiam aparecer na teoria. Depois apresentamos um cálculo explícito das primeiras correções radiativas (1-laço) associadas ao propagador do fóton, propagador do méson, vértice e, estudamos a função de 4 pontos (fóton-fóton) utilizando o método de regularização dimensional, em que a simetria de calibre é manifesta. Como veremos, uma consequência do estudo é que a álgebra de DKP assegura o funcionamento das identidades de WT nas primeiras correções radiativas proibindo certas divergências no ultravioleta. Com o conhecimento das divergências no ultravioleta (UV) e no infravermelho (IV) abordadas nas correções radiativas, estabelecemos o Programa de Renormalização multiplicativo para esta teoria na camada de massa. O fato do propagador do campo escalar possuir uma nova estrutura divergente na massa de Podolsky nos levou a analisar as correções radiativas a 2-laços. Do propagador do fóton definimos o tensor de polarização e com este, de maneira fenomenológica, analisando o comportamento assintótico das funções de Green para altos momentos, abordamos a dependência da constante de estrutura com a escala de energia. No segundo setor estudamos o Formalismo de Matsubara-Fradkin (MF) para descrever campos em equilíbrio termodinâmico. Para isso foi necessário construir as equações em equilíbrio termodinâmico que descrevessem o setor escalar e vetorial e a posteriori extrair a função de partição. Ao construir o setor vetorial, percebemos o surgimento e a importância dos campos fantasmas e sua conexão com a simetria de Bechi-Rouet-Stora-Tyutin (BRST). No caso da escolha de calibre covariante no-mixing, foi necessário contornar o surgimento de uma estrutura pseudo-diferencial. Analisando a função de partição associada aos fótons livres de Podolsky via método dos parâmetros fictícios, percebemos o fato da simetria BRST assegurar que a função de partição não depende das escolhas covariantes ao fixarmos o calibre. As condições de Lorenz, no-mixing e Lorenz generalizado são amarradas pela simetria BRST e esse fato está contido em uma afirmação geral em teorias de calibre a temperatura finita, atribuída ao trabalho de Tyutin, de que a física não depende das escolhas de calibre, covariantes ou não, devido a simetria BRST. Por fim, com a funções de partição em mãos, construímos as equações de Schwinger-Dyson-Fradkin (SDF) e as identidades de Ward-Takahashi-Fradkin (WTF) em equilíbrio termodinâmico. / This work has as aim to explore the quantum dynamics of interaction between scalar and vectorial particles and to study the thermodynamic equilibrium of these particles in the gran-canonical ensemble. The dynamics of interaction, written in a covariance language, between the matter field (scalar) and the field that intermediate the interaction (vectorial) exhibit a local gauge symmetry, U(1) in a quantum case and SO(4) in a thermodynamic equilibrium. Therefore we divided the work into two sections. In the first section we analyze systematically the quantum interaction between the scalar particles (mesons) and vectorial particles (photons) in the context of the generalized scalar Duffin-Kemmer-Petiau quantum electrodynamics (GSDKP). For this we use the functional approach to quantize the theory. We built the hamiltonian structure by the Dirac methodology, utilize the Faddeev-Senjanovic procedure to obtain the transition amplitude in the generalized Coulomb gauge and the Faadeev-Popov-DeWitt method to write the covariant form of the previously amplitude in the no-mixing gauge condition. Then writing the functional generator by Schwinger, the Schwinger-Dyson (SD) equations and the Ward-Takahashi (WT) identities are obtained. As an introductory analysis to the first radiative corrections we make a quantitative calculus to see the types of ultraviolet (UV) superficial divergences that appear in the theory. After this we show an explicit calculation of the first radiative corrections (1-loop) associated with the photon propagator, meson propagator, vertex and the 4 point function (photon-photon) utilizing the dimensional regularization method, where the gauge symmetry is manifest. As we will see one of the consequences of the study is that the DKP algebra ensures the functioning of the WT identities in the first radiative corrections prohibiting certain UV divergences. With the knowledge of the UV divergences and de infrared (IR) addressed in the radiative corrections we established the multiplicative renormalization procedure to this theory in the mass shell. The fact that the meson propagator has a new divergence structure in terms of the Podolsky mass took us to analyze the radiative correction at 2-loops. With the photon propagator we define the polarization tensor and in a phenomenological manner, analyzing the asymptotic behavior of Green's functions for higher momentum, we derive the dependence of the structure constant by the scale of energy. In the second section we study the Matsubara-Fradkin (MF) formalism to describe fields in thermodynamical equilibrium. For this it was necessary to construct the equations in thermodynamic equilibrium that describe the scalar sector and vectorial sector and then extract the partition function. When we construct the vectorial sector we realize the emergence and the importance of the ghost fields and their connection to the Bechi-Rouet-Stora-Tyutin (BRST) symmetry. In the case of the no-mixing gauge condition was necessary to contour a pseudo-differential structure. Analyzing the free partition function associated with the free Podolsky photons by the method of fictitious parameters we realize that the BRST symmetry ensures that it does not depend of the covariant choices when we fix de gauge. The Lorenz condition, no-mixing and generalized Lorenz are tied by the BRST symmetry and this fact is contained in a general statement in gauge theories at finite temperature, assigned by Tyutin work, that the physics doesn't depend of the gauge choices, covariant or not, due to BRST symmetry. Lastly, with the partition function in hands, we construct the Schwinger-Dyson-Fradkin (SDF) and the Ward-Takahashi-Fradkin (WTF) in thermodynamic equilibrium.

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Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Neste trabalho, utilizamos o formalismo de teorias quânticas de campos a temperatura finita, tal como desenvolvidas por Matsubara, aplicado a uma hamiltoniana de N campos escalares com autointeração quártica a N grande. Obtém-se uma expressão, na primeira aproximação quântica, para o coeficiente do termo quadrático da hamiltoniana ("massa quadrada"), renormalizado, como função da temperatura. A partir dela, estudamos o processo de quebra espontânea de simetria. Por outro lado, a mesma hamiltoniana é conhecida como modelo de Ginzburg-Landau na literatura de matéria condensada, e que permite o estudo de transições de fase em materiais ferromagnéticos. A temperatura é introduzida através do termo quadrático na hamiltoniana, de forma linear: é proporcional à diferença entre a variável de temperatura e a temperatura crítica. Tal modelo, porém, possui validade apenas na regi~ao de temperaturas próximas à criticalidade. Como resultado de nossos cálculos na teoria de campos a temperatura finita, observamos que, numa faixa de valores em torno da temperatura crítica, a massa quadrática pode ser aproximada por uma relação linear em relação à variável de temperatura. Isso evidencia a compatibilidade da abordagem de Ginzburg-Landau, na vizinhança da criticalidade, com respeito ao formalismo de campos a temperatura finita. Discutimos também os efeitos causados pela presença de um potencial químico no sistema. / In this work, we use the formalism of quantum field theories at finite temperature, as developed by Matsubara, applied to a Hamiltonian of N scalar fields with quartic self-interaction at N large. We get an expression in the first quantum approximation to the coeficient of the quadratic term of the Hamiltonian ("square mass"), renormalized as a function of temperature. From it, we study the process of spontaneous symmetry breaking. On the other hand, the same Hamiltonian is known as Ginzburg-Landau model in the literature of condensed matter, and allows the study of phase transitions in ferromagnetic materials. The temperature is introduced through the quadratic term in the Hamiltonian of the linear form: is proportional to the difference between the temperature and the critical temperature. This model, however, is valid only in the region of temperatures close to criticality. As a result of our calculations in the field theory at finite temperature, we observed that in a range of values around the critical temperature, the quadratic mass can be approximated by a linear relation with the temperature. This highlights the compatibility of the Ginzburg-Landau approach, in the vicinity of criticality with respect to the formalism of finite temperature field. We also discuss the effects caused by the presence of a chemical potential in the system.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Neste trabalho, utilizamos o formalismo de teorias quânticas de campos a temperatura finita, tal como desenvolvidas por Matsubara, aplicado a uma hamiltoniana de N campos escalares com autointeração quártica a N grande. Obtém-se uma expressão, na primeira aproximação quântica, para o coeficiente do termo quadrático da hamiltoniana ("massa quadrada"), renormalizado, como função da temperatura. A partir dela, estudamos o processo de quebra espontânea de simetria. Por outro lado, a mesma hamiltoniana é conhecida como modelo de Ginzburg-Landau na literatura de matéria condensada, e que permite o estudo de transições de fase em materiais ferromagnéticos. A temperatura é introduzida através do termo quadrático na hamiltoniana, de forma linear: é proporcional à diferença entre a variável de temperatura e a temperatura crítica. Tal modelo, porém, possui validade apenas na regi~ao de temperaturas próximas à criticalidade. Como resultado de nossos cálculos na teoria de campos a temperatura finita, observamos que, numa faixa de valores em torno da temperatura crítica, a massa quadrática pode ser aproximada por uma relação linear em relação à variável de temperatura. Isso evidencia a compatibilidade da abordagem de Ginzburg-Landau, na vizinhança da criticalidade, com respeito ao formalismo de campos a temperatura finita. Discutimos também os efeitos causados pela presença de um potencial químico no sistema. / In this work, we use the formalism of quantum field theories at finite temperature, as developed by Matsubara, applied to a Hamiltonian of N scalar fields with quartic self-interaction at N large. We get an expression in the first quantum approximation to the coeficient of the quadratic term of the Hamiltonian ("square mass"), renormalized as a function of temperature. From it, we study the process of spontaneous symmetry breaking. On the other hand, the same Hamiltonian is known as Ginzburg-Landau model in the literature of condensed matter, and allows the study of phase transitions in ferromagnetic materials. The temperature is introduced through the quadratic term in the Hamiltonian of the linear form: is proportional to the difference between the temperature and the critical temperature. This model, however, is valid only in the region of temperatures close to criticality. As a result of our calculations in the field theory at finite temperature, we observed that in a range of values around the critical temperature, the quadratic mass can be approximated by a linear relation with the temperature. This highlights the compatibility of the Ginzburg-Landau approach, in the vicinity of criticality with respect to the formalism of finite temperature field. We also discuss the effects caused by the presence of a chemical potential in the system.

In dieser Dissertation werden das Anregungsspektrum und das Phasendiagramm wechselwirkender Fermi- und Bosegase untersucht. Zu diesem Zweck wird eine neuartige renormierte Kadanoff-Martin-Näherung vorgestellt, die Selbstwechselwirkung von Teilchen vermeidet und somit eine einheitliche Beschreibung sowohl der normalen als auch der kondensierten Phase ermöglicht. Für Fermionen findet man den BCS-Zustand, benannt nach Bardeen, Cooper und Schrieffer, welcher entscheidend ist für das Phänomen der Supraleitung. Charakteristisch für diesen Zustand ist eine Energielücke im Anregungsspektrum an der Fermi-Energie. Weiterhin tritt für Bosonen eine Bose-Einstein-Kondensation (BEC) auf, bei der das Anregungsspektrum für kleine Impulse linear ist. Letzteres führt zum Phänomen der Suprafluidität. Über die bereits bekannten Phänomene hinaus findet man eine dem BCS-Zustand ähnliche Kondensation von Zweiteilchenbindungszuständen, sowohl für Fermionen als auch für Bosonen. Für Fermionen tritt ein Übergang zwischen der Kondensation von Bindungszuständen und dem BCS-Zustand auf, der sogenannte BEC-BCS-Übergang. Die Untersuchung der Zustandsgleichung zeigt, dass im Gegensatz zu Fermi-Gasen und Bose-Gasen mit abstoßender Wechselwirkung Bose-Gase mit anziehender Wechselwirkung zu einer Flüssigkeit kondensieren oder sich verfestigen, bevor es zur Kondensation von Bindungszuständen oder zur Bose-Einstein-Kondensation kommt. Daher können diese Phänomene voraussichtlich nicht in der Gasphase beobachtet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgestellte Näherungsverfahren sehr gut geeignet ist, die erwähnten Phänomene im Zusammenhang mit der Bose-Einstein-Kondensation zu beschreiben.

In dieser Dissertation werden das Anregungsspektrum und das Phasendiagramm wechselwirkender Fermi- und Bosegase untersucht. Zu diesem Zweck wird eine neuartige renormierte Kadanoff-Martin-Näherung vorgestellt, die Selbstwechselwirkung von Teilchen vermeidet und somit eine einheitliche Beschreibung sowohl der normalen als auch der kondensierten Phase ermöglicht. Für Fermionen findet man den BCS-Zustand, benannt nach Bardeen, Cooper und Schrieffer, welcher entscheidend ist für das Phänomen der Supraleitung. Charakteristisch für diesen Zustand ist eine Energielücke im Anregungsspektrum an der Fermi-Energie. Weiterhin tritt für Bosonen eine Bose-Einstein-Kondensation (BEC) auf, bei der das Anregungsspektrum für kleine Impulse linear ist. Letzteres führt zum Phänomen der Suprafluidität. Über die bereits bekannten Phänomene hinaus findet man eine dem BCS-Zustand ähnliche Kondensation von Zweiteilchenbindungszuständen, sowohl für Fermionen als auch für Bosonen. Für Fermionen tritt ein Übergang zwischen der Kondensation von Bindungszuständen und dem BCS-Zustand auf, der sogenannte BEC-BCS-Übergang. Die Untersuchung der Zustandsgleichung zeigt, dass im Gegensatz zu Fermi-Gasen und Bose-Gasen mit abstoßender Wechselwirkung Bose-Gase mit anziehender Wechselwirkung zu einer Flüssigkeit kondensieren oder sich verfestigen, bevor es zur Kondensation von Bindungszuständen oder zur Bose-Einstein-Kondensation kommt. Daher können diese Phänomene voraussichtlich nicht in der Gasphase beobachtet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgestellte Näherungsverfahren sehr gut geeignet ist, die erwähnten Phänomene im Zusammenhang mit der Bose-Einstein-Kondensation zu beschreiben.