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Das Standardmodell der Teilchenphysik hat sich bis heute, mit Ausnahme der allgemeinen Relativitätstheorie, als erfolgreichste Theorie zur Beschreibung der Natur erwiesen. Störungstheoretische Rechnungen für bestimmte Mengen in Quantenchromodynamik (QCD) haben bisher unerreicht präzise Vorraussagen ermöglicht, die experimentell nachgewiesen wurden. Trotz dieser Erfolge gibt es Teile des Standardmodells und Energieskalen bei denen die Störungstheorie versagt und man nach Alternativen suchen muss. Vieles können wir hierbei verstehen, indem wir eine ähnliche Theorie untersuchen, die sogenannte planare N=4 Super Yang-Millstheorie in vier Dimensionen (N=4 SYM). Es existieren viele Indizien dafür, dass die Theorie exakte Lösungen zulässt. Dies lässt sich zurückführen auf die Integrabilität der Theorie, eine unendlich dimensionale Symmetriealgebra, die die Theorie stark einschränkt. Neben besagter Integrabilität besitzt diese Theorie auch andere spezielle Eigenschaften. So ist sie des am besten verstandenen Beispiels der Eich-/Gravitations Dualität durch die AdS/CFT Korrespondenz. Ausserdem sind die Streuamplituden von Gluonen auf Baumgraphenniveau in N=4 SYM die selben wie in Quantenchromodynamik. Diese Streuamplituden besitzen eine elegante Struktur und stellen sich als deutlich simpler heraus, als die dazugehörigen Feynmangraphen vermuten lassen. Tatsächlich umgehen viele der zur Berechnung von Streuamplituden entwickelten Masseschalenmethoden die Feynmangraphen, indem sie vorrübergehend manifeste Unitarität und Lokalität aufgeben und dadurch die Rechnungen stark vereinfachen. Alle diese Entwicklungen suggerieren, dass der konventionelle Formalismus der Theorie mit Hilfe der Wirkung im Minkowskiraum nicht der aufschlussreichste oder effizienteste Weg ist, die Theorie zu untersuchen. Diese Arbeit untersucht der Hypothese, ob dass stattdessen Twistorvariablen besser geeignet sind, die Theorie zu beschreiben. Der Twistorformalismus wurde zuerst von Roger Penrose eingeführt. Auf dem klassischen Level ist die holomorphe Chern-Simonstheorie im Twistorraum äquivalent zur klassischen selbst-dualen Yang-Mills Lösung in der Raumzeit. Die volle Twistorwirkung, welche eine Störung um diesen klassisch integrablen Sektor ist und durch eine Eichbedingung auf die N=4 SYM Wirkung reduziert werden kann, produziert unter einer anderen Eichbedingung alle sogenannten maximalhelizitätsverletzenden (MHV) Amplituden auf Baumgraphenniveau. Durch die Einführung eines Twistorpropagators konnten auch NkMHV Amplituden effizient beschrieben werden. In dieser Arbeit erweitern wir den Twistorformalismus um auch Größen, die sich nicht auf den Masseschalen befinden, beschreiben zu können. Wir untersuchen alle lokalen eichinvarianten zusammengesetzten Operatoren im Twistorraum und zeigen, dass sie alle Baumgraphenniveau-Formfaktoren des sogenannten MHV-Typs erzeugen. Wir erweitern diese Methode zu NMHV und öher NkMHW Level in Anlehnung an die Amplituden. Schliess lich knüpfen wir an die Integrabilität an, indem wir den ein-Schleifen Dilatationsoperator in dem skalaren Sektor der Theorie im Twistorraum berechnen. / The Standard Model of particle physics has proven to be, with the exception of general relativity, the most accurate description of nature to this day. Perturbative calculations for certain quantities in Quantum Chromo Dynamics (QCD) have led to the highest precision predictions that have been experimentally verified. However, for certain sectors and energy regimes, perturbation theory breaks down and one must look for alternative methods. Much can be learned from studying a close cousin of the standard model, called planar N = 4 super Yang-Mills theory in four dimensions (N = 4 SYM), for which a lot of evidence exists that it admits exact solutions. This exact solvability is due to its quantum integrability, a hidden infinite symmetry algebra that greatly constrains the theory, which has led to a lot of progress in solving the spectral problem. Integrability aside, this non-Abelian quantum field theory is special in yet other ways. For example, it is the most well understood example of a gauge/gravity duality via the AdS/CFT correspondence. Furthermore, at tree level the scattering amplitudes in its gluon sector coincide with those of Quantum Chromo Dynamics. These scattering amplitudes exhibit a very elegant structure and are much simpler than the corresponding Feynman diagram calculation would suggest. Indeed, many on-shell methods that have been developed for computing these scattering amplitudes circumvent the tedious Feynman calculation, by giving up manifest unitarity and locality at intermediate stages of the calculation, greatly simplifying the work. All these developments suggest that the conventional way in which the theory is presented, i.e. in terms of the well- known action on Minkowski space, might not be the most revealing or in any case not the most efficient way. This thesis investigates whether instead twistor variables provide a more suitable description. The twistor formalism was first introduced by Roger Penrose. At the classical level, a holomorphic Chern-Simons theory on twistor space is equivalent to classically integrable self-dual Yang-Mills solutions in space-time. A quantum perturbation around this classically integrable sector reduces to the conventional N = 4 SYM action by imposing a partial gauge condition. This action generates all so-called maximally helicity violating (MHV) amplitudes at tree level directly, when a different gauge was chosen. By including a twistor propagator into the formalism, also higher degree NkMHV amplitudes can be described efficiently. In this thesis we extend this twistor formalism to encompass (partially) off-shell quantities. We describe all gauge-invariant local composite operators in twistor space and show that they immediately generate all tree-level form factors of the MHV type. We use the formalism to compute form factors at NMHV and higher NkMHV level in parallel to how this was done for amplitudes. Finally, we move on to integrability by computing the one-loop dilatation operator in the scalar sector of the theory in twistor space.

Inspiriert von den integrablen Strukturen der schwach gekoppelten planaren N=4 Super-Yang-Mills-Theorie studieren wir Q-Operatoren und Yangsche Invarianten. Wir geben eine Übersicht der Quanten-Inverse-Streumethode zusammen mit der Yang-Baxter Gleichung welche zentral für diesen systematischen Zugang zu integrablen Modellen ist. Den Fokus richten wir auf rationale integrable Spinketten und Vertexmodelle. Wir besprechen einige ihrer bekannten Gemeinsamkeiten und wie sie durch Bethe-Ansatz-Methoden mit Hilfe sogenannter Q-Funktionen gelöst werden können. Der Hauptteil basiert auf den ursprünglichen Publikationen des Autors. Zuerst konstruieren wir Q-Operatoren, deren Eigenwerte zu den Q-Funktionen rationaler homogener Spinketten führen. Die Q-Operatoren werden als Spuren gewisser Monodromien von R-Operatoren eingeführt. Unsere Konstruktion erlaubt es uns die Hierarchie der kommutierenden Q-Operatoren und ihre funktionalen Beziehungen herzuleiten. Wir studieren wie der nächste-Nachbarn Hamiltonoperator, sowie höhere lokale Ladungen direkt aus den Q-Operatoren extrahiert werden können. Danach widmen wir uns der Formulierung der Yangschen Invarianzbedingung, wie sie auch im Zusammenhang mit Baumgraphen die bei der Berechnung von Streuamplituden in der N=4 Super-Yang-Mills-Theorie auftreten, innerhalb der RTT-Realisierung. Dies erlaubt es uns den algebraischen Bethe-Ansatz anzuwenden und die dazugehörigen Bethe Gleichungen herzuleiten, welche für die Konstruktion der Eigenzustände die Yangsche Invarianz aufweisen, relevant sind. Die Komponenten dieser Eigenzustände der von uns betrachteten Spinketten können außerdem als Zustandssummen gewisser zweidimensionaler Vertexmodelle angesehen werden. Zudem analysieren wir die Verbindung zwischen den Eigenzuständen und den oben genannten Baumgraphen. Schlussendlich diskutieren wir die von uns vorgelegten Ergebnisse und deren Folgen im Hinblick auf die Erforschung der planaren N=4 Super-Yang-Mills-Theorie. / Inspired by the integrable structures appearing in weakly coupled planar N=4 super Yang-Mills theory, we study Q-operators and Yangian invariants of rational integrable spin chains. We review the quantum inverse scattering method QISM along with the Yang-Baxter equation which is the key relation in this systematic approach to study integrable models. Our main interest concerns rational integrable spin chains and lattice models. We recall the relation among them and how they can be solved using Bethe ansatz methods incorporating so-called Q-functions. In order to remind the reader how the Yangian emerges in this context, an overview of its so-called RTT-realization is provided. The main part is based on the author''s original publications. Firstly, we construct Q-operators whose eigenvalues yield the Q-functions for rational homogeneous spin chains. The Q-operators are introduced as traces over certain monodromies of R-operators. Our construction allows us to derive the hierarchy of commuting Q-operators and the functional relations among them. We study how the nearest-neighbor Hamiltonian and in principle also higher local charges can be extracted from the Q-operators directly. Secondly, we formulate the Yangian invariance condition, also studied in relation to scattering amplitudes of N=4 super Yang-Mills theory, in the RTT-realization. We find that Yangian invariants can be interpreted as special eigenvectors of certain inhomogeneous spin chains. This allows us to apply the algebraic Bethe ansatz and derive the corresponding Bethe equations that are relevant to construct the invariants. We examine the connection between the Yangian invariant spin chain eigenstates whose components can be understood as partition functions of certain two-dimensional lattice models and tree-level scattering amplitudes of the four-dimensional gauge theory. Finally, we conclude and discuss some future directions and implications of our studies for planar N=4 super Yang-Mills theory.

In dieser Dissertation werden Aspekte von superkonformen Quantenfeldtheorien untersucht, die für die sogenannte AdS/CFT Korrespondenz relevant sind. Die AdS/CFT Korrespondenz beschreibt eine Dualität zwischen Stringtheorien im Anti-de Sitter Raum und superkonformen Quantenfeldtheorien im Minkowskiraum. In diesem Kontext wurde die sog. Wilsonschleifen / Amplituden Dualität entdeckt, die die Übereinstimmung von n-Gluon MHV Amplituden und n-seitigen polygonalen Wilsonschleifen in der N=4 supersymmetrischen Yang-Mills (SYM) Theorie beschreibt. Im ersten Teil dieser Dissertation wird die Wilsonschleifenseite einer solchen möglichen Dualität in der N=6 superkonformen Chern-Simons (ABJM) Theorie untersucht. Das Hauptergebnis dieser Untersuchungen ist, dass der Erwartungswert der n-seitigen polygonalen Wilsonschleifen auf Einschleifenebene verschwindet, während er auf Zweischleifenebene in seiner funktionalen Form identisch zu der analogen Wilsonschleife in N=4 SYM auf Einschleifenniveau ist. Außerdem wird eine anomale konforme Wardidentität für Wilsonschleifen in Chern-Simons Theorie berechnet. Zudem werden die damit im Zusammenhang stehenden Entwicklungen für Amplituden und Korrelatoren in der ABJM Theorie diskutiert. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden Dreipunktfunktionen von zwei geschützten Operatoren und einem Twist-Zwei Operator mit beleibigem Spin j in der N=4 SYM Theorie berechnet. Dafür werden die Indizes des Spin j Operators auf den Lichtkegel projiziert und der Korrelator wird in einem Grenzfall untersucht in dem der Impuls der bei dem Spin j Operator einfließt verschwindet. Dieser Grenzfall vereinfacht die perturbative Berechnung erheblich, da alle Dreipunktdiagramme effektiv auf Zweipunktdiagramme reduziert werden und die Abhängigkeit der Mischungsmatrix auf Einschleifenebene herausfällt. Das Ergebnis stimmt mit der Analyse der Operatorproduktentwicklung von Vierpunktfunktionen geschützter Operatoren von Dolan und Osborn aus dem Jahre 2004 überein. / In this thesis aspects of superconformal field theories that are of interest in the so-called AdS/CFT correspondence are investivated. The AdS/CFT correspondence states a duality between string theories living on Anti-de Sitter space and superconformal quantum field theories in Minkowski space. In the context of the AdS/CFT correspondence the so-called Wilson loop / amplitude duality was discovered, stating the equality of the finite parts of n-gluon MHV amplitudes and n-sided lightlike polygonal Wilson loops in N=4 supersymmetric Yang-Mills (SYM) theory. It is the subject of the first part of this thesis to investigate the Wilson loop side of a possible similar duality in N=6 superconformal Chern-Simons matter (ABJM) theory. The main result is, that the expectation value of n-sided lightlike polygonal Wilson loops vanishes at one-loop order and at two-loop order is identical in its functional form to the Wilson loop in N=4 SYM theory at one-loop order. Furthermore, an anomalous conformal Ward identity for Wilson loops in Chern-Simons theory is derived. Related developments and symmetries of amplitudes and correlators in ABJM theory are discussed as well. In the second part of this thesis we calculate three-point functions of two protected operators and one twist-two operator with arbitrary even spin j in N =4 SYM theory. In order to carry out the calculations, the indices of the spin j operator are projected to the light-cone and the correlator is evaluated in a soft-limit where the momentum coming in at the spin j operator becomes zero. This limit largely simplifies the perturbative calculation, since all three-point diagrams effectively reduce to two-point diagrams and the dependence on the one-loop mixing matrix drops out completely. The result is in agreement with the analysis of the operator product expansion of four-point functions of half-BPS operators by Dolan and Osborn in 2004.

Supersymmetrische Feldtheorien können durch eine nicht-lineare und nicht-lokale Transformation der bosonischen Felder charakterisiert werden, der Nicolai-Abbildung. Sie bildet das wechselwirkende Funktionalmaß so auf das Maß der zugehörigen freien Theorie ab, dass die Jacobi-Determinante gleich dem Produkt der fermionischen Determinanten ist. Wir untersuchen die Nicolai-Abbildungen des 2-dimenionalen Wess-Zumino Modells und der N=1 sowie N=4 super Yang-Mills Theorien. Wir geben einen konstruktiven Beweis für die Existenz der Nicolai-Abbildung in diesen Theorien. Der Beweis beinhaltet die Herleitung des infinitesimalen Generators der inversen Abbildung, dem R-Operator. Wir benutzen diesen Operator, um die Nicolai-Abbildung im 2-dimensionalen Wess-Zumino Modell bis zur fünften Ordnung in der Kopplung zu berechnen. In der N=1 super Yang-Mills Theorie führen wir die Begriffe der on- bzw. off-shell Nicolai-Abbildungen ein. Die on-shell Abbildung existiert in d=3,4,6 und 10 Dimensionen aber nur für die Landau Eichung. Wir bestimmen sie bis zur vierten Ordnung. Die off-shell Abbildung existiert nur in d=4 Dimensionen aber für allgemeine Eichungen. Wir berechnen sie in der axialen Eichung bis zur zweiten Ordnung. Für die N=4 super Yang-Mills Theorie geben wir den R-Operator an und zeigen, dass man die N=4 Nicolai-Abbildung durch dimensionale Reduktion aus der N=1 Abbildung erhält. Inverse Nicolai-Abbildungen bilden Quantenkorrelationsfunktionen bosonischer Observablen auf freie Korrelationsfunktionen ab. Daher gestatten sie eine Quantisierung supersymmetrischer Theorien ohne die Verwendung von Fermionen oder Geistern. Wir benutzten diese Eigenschaft, um den Vakuum-Erwartungswert der Maldacena-Wilson Geraden bis zur sechsten Ordnung zu berechnen. Im zweiten Teil dieser Arbeit bestimmen wir die explizite Form aller Felder im 1/2-BPS Energie-Impuls-Tensor Multiplet in N=4 super Yang-Mills. Dieses Multiplet enthält den R-Symmetrie Fluss und den Energie-Impuls-Tensor. / Supersymmetric field theories can be characterized by the existence of a non-linear and non-local transformation of the bosonic fields, the Nicolai map. It maps the interacting functional measure to that of a free theory such that the Jacobian determinant of the transformation equals the product of the fermionic determinants. In this thesis, we study the Nicolai maps of the 2-dimensional Wess-Zumino model, N=1 super Yang-Mills and N=4 super Yang-Mills. We give a constructive proof for the existence of the Nicolai map in these theories. The proof includes the derivation of the infinitesimal generator of the inverse Nicolai map, called the R-operator. We use this operator to compute the Nicolai map of the 2-dimensional Wess-Zumino model up to the fifth order in the coupling. In N=1 super Yang-Mills, we introduce the notion of on- and off-shell Nicolai maps. The on-shell Nicolai map of N=1 super Yang-Mills exists in d=3,4,6 and 10 dimensions but is constrained to the Landau gauge. We compute this map up to the fourth order. The off-shell Nicolai map exists only in d=4 dimensions but for general gauges. We compute it in the axial gauge up to the second order. In N=4 super Yang-Mills, we give the R-operator and show that the Nicolai map can be obtained from the Nicolai map of 10-dimensional N=1 super Yang-Mills by dimensional reduction. Inverse Nicolai maps map quantum correlation functions of bosonic observables to free correlation functions. Hence, Nicolai maps allow for a fermion (and ghost) free quantization of supersymmetric (gauge) theories. We apply this property to compute the vacuum expectation value of the infinite straight line Maldacena-Wilson loop in N=4 super Yang-Mills to the sixth order. Thus extending the previous perturbative result by one order. In the second part of this thesis, we derive the explicit field content of the 1/2-BPS stress tensor multiplet in N=4 super Yang-Mills, which contains the R-symmetry current and the energy-momentum tensor.