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.

<p>One of the still big problems in the Standard Model of particle physics is the problem of confinement. Quarks or other coloured particles have never been observed in isolation. Quarks are only observed in colour neutral bound states. The strong interactions are described using a Yang-Mills theory. These type of theories exhibits asymptotic freedom, i.e. the coupling is weak at high energies. This means that the theory is perturbative at high energies only. Understanding quark confinement requires knowledge of the non perturbative regime. One attempt has been to identify the proper order parameters for describing the low energy limit and then to write down effective actions in terms of these order parameters. We discuss one possible scenario for confinement and the effective models constructed with this as inspiration. Further we discuss solitons in these models and their properties.</p><p>Yang-Mills theory has also become important in the context of string theory. According to the AdS/CFT correspondence string theory in AdS₅×S⁵ is dual to four dimensional Yang-Mills with four supersymmetries. The duality relate the non perturbative regime of one of the theories to the perturbative regime of the other. This makes it in general hard to test this conjecture. For a special type of solutions it is however possible to use a perturbative expansion in both theories. We discuss this type of solutions and in particular we discuss a method, the Bethe ansatz, to find the solutions on the gauge theory side.</p>

One of the still big problems in the Standard Model of particle physics is the problem of confinement. Quarks or other coloured particles have never been observed in isolation. Quarks are only observed in colour neutral bound states. The strong interactions are described using a Yang-Mills theory. These type of theories exhibits asymptotic freedom, i.e. the coupling is weak at high energies. This means that the theory is perturbative at high energies only. Understanding quark confinement requires knowledge of the non perturbative regime. One attempt has been to identify the proper order parameters for describing the low energy limit and then to write down effective actions in terms of these order parameters. We discuss one possible scenario for confinement and the effective models constructed with this as inspiration. Further we discuss solitons in these models and their properties. Yang-Mills theory has also become important in the context of string theory. According to the AdS/CFT correspondence string theory in AdS5×S5 is dual to four dimensional Yang-Mills with four supersymmetries. The duality relate the non perturbative regime of one of the theories to the perturbative regime of the other. This makes it in general hard to test this conjecture. For a special type of solutions it is however possible to use a perturbative expansion in both theories. We discuss this type of solutions and in particular we discuss a method, the Bethe ansatz, to find the solutions on the gauge theory side.

Cette thèse décrit quelques développements dans les techniques de calcul des amplitudes de diffusion en théorie supersymétrique de champ de jauge . L'accent est mis sur les relations de récurrence on-shell et sur l'utilisation de méthodes d'unitarité pour des calculs de boucle. En particulier, la récurrence on-shell est liée aux règles BCFW pour calculer les amplitudes de jauge au niveau des arbres. Les combinaisons de techniques de coupe d'unitarité et la récurrence sont utilisées pour calculer les amplitudes de boucle, et finalement, à partir des amplitudes, pour obtenir la fonction de corrélation énergie-énergie en théorie de super-Yang-Mills N = 4 à l'aide de la représentation de Mellin-Barnes. Dans le dernier chapitre, nous tentons de trouver un contour convergent pour les intégrales de Mellin Barnes en multi-dimension obtenu par une certaine approximation d'un contour de phase stationnaire.

Cette thèse est dédiée à l'étude de la fonction à trois points dans la théorie de jauge super-symétrique (SYM) N=4, dans la limite du grand nombre de couleurs, à l'aide de l'intégrabilité. La théorie de jauge N=4 SYM est invariante conforme au niveau quantique est on pense qu'elle est résoluble exactement. Par la correspondance AdS/CFT, elle est duale à la théorie des cordes de type IIB dans l'espace courbe AdS5× S5. Les fonctions à trois points sont des quantités qui contiennent de l'information essentielle sur la dynamique de la théorie.Nous passons en revue les méthodes déjà existantes et outils de l'intégrabilité qui sont nécessaires pour le calcul de la fonction à trois points. Nous présentons le calcul de la fonction à trois points dans le secteur SU(3), de rang supérieur à un, nous avons utilisé une représentation sous forme de déterminant, qui nous permets de prendre la limite semi-classique. En exploitant la relation entre des chaines de spin à langue portée et la chaine de Heisenberg inhomogène, nous avons développé une nouvelle pur calculer la fonction à trois points dans le secteur SU(2) à l'ordre d'une boucle qui nous permets d'obtenir le résultat dans une forme très compacte. Dans la limite de Frolov-Tseytlin ce résultat est en accord avec celui qu'on obtient au couplage fort.Nous avons exploré des nouvelles formulations de la fonction à trois points. En nous inspirant de la formulation de la théorie des champs des cordes dans la jauge du cone de lumière nous avons construit un vertex de spin, qui est la version de couplage faible du vertex des cordes, pour tous les secteurs à l'ordre des arbres. Cette approche peut être reliée au programme des facteurs de forme pour les théories de champs bi-dimensionnelles intégrables, dont nous rappelons ici les bases. Nous étudions la dépendance dans la taille du système pour une classe spéciale de fonction à trois points qui correspond aux facteurs de forme diagonaux. / This thesis is devoted to the study of three-point functions of N=4 Super-Yang-Mills (SYM) theory in the planar limit by using integrability. N=4 SYM theory is conformal invariant at quantum level and is believed to be completely solvable. By the AdS/CFT correspondence, it is dual to the type IIB superstring theory on the curved background AdS5×S5. The three-point functions are important quantities which contain essential dynamic information of the theory.The necessary tools in integrability and the existing methods of computing three-point functions are reviewed. We compute the three-point functions in the higher rank SU(3) sector and obtain a determinant representation for one special configuration, which allows us to take the semi-classical limit. By exploring the relation between long-range interacting spin chain and inhomogeneous XXX spin chain, we develop a new approach to compute three-point functions in the SU(2) sector at one-loop and obtain a compact result. In the Frolov-Tseytlin limit, this result matches the result at strong coupling.We also explore new formulations of the three-point functions. In one formulation inspired by the light-cone string field theory, we constructed the spin vertex, which is the weak coupling counterpart of the string vertex for all sectors at tree level. Another formulation which is related to the form factor boostrap program in integrable field theory is reviewed. At weak coupling, we study the finite volume dependence of a special type of three-point functions which are related to the diagonal form factors.

Inspired by problems in gauge field theory, this thesis is concerned with various aspects of infinite-dimensional differential geometry. In the first part, a local normal form theorem for smooth equivariant maps between tame Fréchet manifolds is established. Moreover, an elliptic version of this theorem is obtained. The proof these normal form results is inspired by the Lyapunov–Schmidt reduction for dynamical systems and by the Kuranishi method for moduli spaces, and uses a slice theorem for Fréchet manifolds as the main technical tool. As a consequence of this equivariant normal form theorem, the abstract moduli space obtained by factorizing a level set of the equivariant map with respect to the group action carries the structure of a Kuranishi space, i.e., such moduli spaces are locally modeled on the quotient by a compact group of the zero set of a smooth map. In the second part of the thesis, the theory of singular symplectic reduction is developed in the infinite-dimensional Fréchet setting. By refining the above construction, a normal form for momentum maps similar to the classical Marle–Guillemin–Sternberg normal form is established. Analogous to the reasoning in finite dimensions, this normal form result is then used to show that the reduced phase space decomposes into smooth manifolds each carrying a natural symplectic structure. Finally,the singular symplectic reduction scheme is further investigated in the situation where the original phase space is an infinite-dimensional cotangent bundle. The fibered structure of the cotangent bundle yields a refinement of the usual orbit-momentum type strata into so-called seams. Using a suitable normal form theorem, it is shown that these seams are manifolds. Taking the harmonic oscillator as an example, the influence of the singular seams on dynamics is illustrated. The general results stated above are applied to various gauge theory models. The moduli spaces of anti-self-dual connections in four dimensions and of Yang–Mills connections in two dimensions is studied. Moreover, the stratified structure of the reduced phase space of the Yang–Mills–Higgs theory is investigated in a Hamiltonian formulation after a (3 + 1)-splitting.

<div>The two main results in this thesis have a common point: Hermitian--Yang--Mills (HYM) metrics. In the first result, we address a Dirichlet problem for the HYM equations in bundles of infinite rank over Riemann surfaces. The solvability has been known since the work of Donaldson \cite{Donaldson92} and Coifman--Semmes \cite{CoifmanSemmes93}, but only for bundles of finite rank. So the novelty of our first result is to show how to deal with infinite rank bundles. The key is an a priori estimate obtained from special feature of the HYM equation.</div><div> </div><div> In the second result, we take on the topic of the so-called ``geometric quantization." This is a vast subject. In one of its instances the aim is to approximate the space of K\"ahler potentials by a sequence of finite dimensional spaces. The approximation of a point or a geodesic in the space of K\"ahler potentials is well-known, and it has many applications in K\"ahler geometry. Our second result concerns the approximation of a Wess--Zumino--Witten type equation in the space of K\"ahler potentials via HYM equations, and it is an extension of the point/geodesic approximation. </div><div> </div>

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第20904号 / 理博第4356号 / 新制||理||1625(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 杉本 茂樹, 教授 川合 光, 准教授 國友 浩 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Die maximal supersymmetrische Yang-Mills-Theorie im vierdimensionalen Minkowski-Raum ist ein außergewöhnliches Modell der mathematischen Physik. Dies gilt vor allem im planaren Limes, in dem die Theorie integrabel zu sein scheint. So sind etwa ihre Streuamplituden auf Baumgraphenniveau Invarianten einer Yangschen Algebra, die die superkonforme Algebra psu(2,2|4) beinhaltet. Diese unendlichdimmensionale Symmetrie ist ein Kennzeichen für Integrabilität. In dieser Dissertation untersuchen wir Verbindungen zwischen solchen Amplituden und integrablen Modellen, um Grundlagen für eine effiziente, auf der Integrabilität basierende Berechnung von Amplituden zu legen. Dazu charakterisieren wir Yangsche Invarianten innerhalb der Quanten-Inverse-Streumethode, die Werkzeuge zur Behandlung integrabler Spinketten bereitstellt. In diesem Rahmen entwickeln wir Methoden zur Konstruktion Yangscher Invarianten. Wir zeigen, dass der algebraische Bethe-Ansatz für die Erzeugung von Yangschen Invarianten für u(2) anwendbar ist. Die zugehörigen Bethe-Gleichungen lassen sich leicht lösen. Unser Zugang erlaubt es zudem diese Invarianten als Zustandssummen von Vertexmodellen zu interpretieren. Außerdem führen wir ein unitäres Graßmannsches Matrixmodell zur Berechnung Yangscher Invarianten mit Oszillatordarstellungen von u(p,q|m) ein. In einem Spezialfall reduziert es sich zu dem Brezin-Gross-Witten-Model. Wir wenden eine auf Bargmann zurückgehende Integraltransformation auf unser Matrixmodell an, welche die Oszillatoren in Spinor-Helizitäts-artige Variablen überführt. Dadurch gelangen wir zu einer Weiterentwicklung der Graßmann-Integralformulierung bestimmter Amplituden. Die maßgeblichen Unterschiede sind, dass wir in der Minkowski-Signatur arbeiten und die Integrationskontur auf die unitäre Gruppenmannigfaltigkeit festgelegt ist. Wir vergleichen durch unser Integral gegebene Yangsche Invarianten mit Amplituden und kürzlich eingeführten Deformationen derselben. / The maximally supersymmetric Yang-Mills theory in four-dimensional Minkowski space is an exceptional model of mathematical physics. Even more so in the planar limit, where the theory is believed to be integrable. In particular, the tree-level scattering amplitudes were shown to be invariant under the Yangian of the superconformal algebra psu(2,2|4). This infinite-dimensional symmetry is a hallmark of integrability. In this dissertation we explore connections between these amplitudes and integrable models. Our aim is to lay foundations for an efficient integrability-based computation of amplitudes. To this end, we characterize Yangian invariants within the quantum inverse scattering method, which is an extensive toolbox for integrable spin chains. Making use of this setup, we develop methods for the construction of Yangian invariants. We show that the algebraic Bethe ansatz can be specialized to yield Yangian invariants for u(2). Our approach also allows to interpret these Yangian invariants as partition functions of vertex models. What is more, we establish a unitary Graßmannian matrix model for the construction of u(p,q|m) Yangian invariants with oscillator representations. In a special case our formula reduces to the Brezin-Gross-Witten model. We apply an integral transformation due to Bargmann to our unitary Graßmannian matrix model, which turns the oscillators into spinor helicity-like variables. Thereby we are led to a refined version of the Graßmannian integral formula for certain amplitudes. The most decisive differences are that we work in Minkowski signature and that the integration contour is fixed to be a unitary group manifold. We compare Yangian invariants defined by our integral to amplitudes and recently introduced deformations thereof.

In dieser Arbeit berechnen wir die gravitativen Ein-Schleifen-Korrekturen zu den Propagatoren und Wechselwirkungen der Felder des Standardmodells der Elementarteilchenphysik. Wir betrachten hierzu ein höherdimensionales brane-world-Modell: Wärend die Gravitonen, die Austauchteilchen der Gravitationswechselwirkung, in der gesamten D-dimensionalen Raumzeit propagieren können, sind die Materiefelder an eine d-dimensionale Untermanigfaltigkeit (brane) gebunden. Um die divergenten Anteile der Ein-Schleifen-Diagramme zu bestimmen, entwickeln wir ein neues Regularisierungschema welches einerseits die Wardidentitäten der Yang-Mills-Theorie respektiert anderseits sensitiv für potenzartige Divergenzen ist. Wir berechnen die gravitativen Beiträge zu den beta-Funktionen der Yang-Mills-Eichtheorie, der quartischen Selbst-Wechselwirkung skalarer Felder und der Yukawa-Wechselwirkung zwischen Skalaren und Fermionen. Im physikalisch besonders interessanten Fall einer vier-dimensionalen Materie-brane verschwinden die gravitativen Beiträge zum Laufen der Yang-Mills-Kopplungskonstante. Die führenden Beiträge zum Laufen der anderen beiden Kopplungskonstanten sind positiv. Diese Ergebnisse sind unabhängig von der Anzahl der Extradimensionen in denen die Gravitonen propagieren können. Des Weiteren bestimmen wir alle gravitationsinduzierten Ein-Schleifen-Konterterme mit höheren kovarianten Ableitungen für skalare Felder, Dirac-Fermionen und Eichbosonen. Ein Vergleich dieser Konterterme mit den höheren Ableitungsoperatoren des Lee-Wick-Standardmodells zeigt, dass die Gravitationskorrekturen nicht auf letzte beschränkt sind. Eine Beziehung zwischen Quantengravitation und dem Lee-Wick-Standardmodell besteht somit nicht. / In this thesis, we derive the gravitational one-loop corrections to the propagators and interactions of the Standard Model field. We consider a higher dimensional brane world scenario: Here, gravitons can propagate in the whole D dimensional space-time whereas the matter fields are confined to a d dimensional sub-manifold (brane). In order to determine the divergent part of the one-loop diagrams, we develop a new regularisation scheme which is both sensitive for polynomial divergences and respects the Ward identities of the Yang-Mills theory. We calculate the gravitational contributions to the beta functions of non-Abelian gauge theories, the quartic scalar self-interaction and the Yukawa coupling between scalars and fermions. In the physically interesting case of a four dimensional matter brane, the gravitational contributions to the running of the Yang-Mills coupling constant vanish. The leading contributions to the other two couplings are positive. These results do not depend on the number of extra dimensions. We further compute the gravitationally induced one-loop counterterms with higher covariant derivatives for scalars, Dirac fermions and gauge bosons. In is shown that these counterterms do not coincide with the higher derivative terms in the Lee-Wick standard model. A possible connection between quantum gravity and the latter cannot be inferred.