Uma das propriedades mais marcantes de partículas que obedecem a dinâmica quântica é o fato de partículas do mesmo tipo (como dois elétrons, por exemplo) serem indistinguíveis. Em três dimensões, essas partículas podem ser separadas em dois grupo distintos - férmions ou bósons - não havendo uma terceira opção. A razão para isso é topológica, ou seja, depende exclusivamente da topologia do espaço. Em duas dimensões, entretanto, existem partículas que obedecem a regras estatísticas fracionárias, ou estatísticas ainda mais bizarras ditas não-abelianas, em que uma simples troca de dois anyons idênticos representa uma transformação unitária na função de onda do sistema ao invés de uma simples fase. Partículas que obedecem essas regras estatística não-usuais recebem o nome de anyons. Da mesma forma como a topologia do espaço em três dimensões dita as possíveis regras estatísticas que as partículas podem obedecer, a estatística aniônica está fortemente relacionando à topologia do espaço e, portanto, sistemas aniônicas são muitas vezes usados para descrever fases topológicas presentes em alguns sistemas bidimensionais. Neste trabalho apresentaremos alguns aspectos gerais de sistemas aniônicos - livres de modelo - e analisaremos alguns modelos de muitos corpos na rede que permitem descrever anyons como excitação de quasi-partícula. A principal classe de modelo que iremos analisar é a classe do modelo duplo quântico (MDQ) - que é um modelo quântico em (2+1)D cujos graus de liberdade são elementos de um grupo G (finito) vivendo nas arestas de uma rede e cuja dinâmica é descrita por uma hamiltoniana de muitos corpos. O MDQ é um modelo já bem estudado e conhecido na literatura; neste trabalho, porém, será apresentada uma formulação alternativa para o mesmo, a qual desempenha dois papeis importantes nesta tese. O primeiro deles é de mostrar que o MDQ pode ser obtido a partir da deformação de um invariante topológico; o que, por sua vez, ajuda a reconhecer a ordem topológica presente no modelo. O segundo papel importante é mostrar que essa formulação leva também a uma hamiltoniana de muitos corpos que representa uma generalização da hamiltoniana do MDQ. Alguns desses novos modelos permitem descrever sistemas aniônicos que não podem ser descritos pelo modelo duplo quântico usual. Em outras palavras, o modelo generalizado que será apresentado neste trabalho permite descrever diferentes fases topológicas partindo da deformação de um mesmo invariante topológico. / One of the most interesting properties of quantum particles is the indistinguishability of particles of the same kind (as for example two electrons). On three dimensions these particles are known to be either fermions or bosons depending on their statistical behaviour. The reason for that is topology, in other words these two possible statistics are due to the space topology. However, on two dimensions there are particles called anyons which are neither fermion nor boson; they may obey a fractional statistic or a even more weird non-abelian statistic - where a single exchange of two identical anyons a unitary transformation on the wave function instead of just acquiring a phase factor. As well as the usual fermionic and bosonic statistic, the anyonic statistic depends strongly on the space topology and thus anyonic systems are often used to describe topological phases of matter of two dimensional systems. In this work we are going to show some general (model free) aspects of anyonic systems and also analyse some many body systems that describe anyons as quasi-particle excitations. We will mostly study a class of model called quantum double models (QDMs). Quantum double models are (2+1)D models where the degrees of freedom are elements of a group G living on the edges of lattice and the dynamic is given by a many body hamiltonian. The QDM is a well known and studied model on the literature, however in this work we are going to show an alternative construction for QDMs which will play two very important roles in this thesis. First, it will allows us to obtain the QDMs from deforming a topological invariant, and that helps to easily identify the topological order on this model. Besides, one can also obtain a many body hamiltonian that represents a generalization of the the QDM hamiltonian. Some of these new models describe anyonic systems other than the ones that can be described by usual QDM. In other words, this new construction leads to a many body hamiltonian that can describe both quantum double models and generalizations of it as particular cases.

Neste trabalho, construímos duas generalizações de uma classe de modelos discretos bidimensionais, assim chamados \"Quantum Double Models\", definidos em variedades orientáveis, compactas e sem fronteiras. Na primeira generalização, introduzimos campos de matéria aos vértices e, na segunda, às faces. Além das propriedades básicas dos modelos, estudamos como se comporta a sua ordem topológica sob a hipótese de que os estados de base são indexados por grupos Abelianos. Na primeira generalização, surge um novo fenômeno de confinamento. Como consequência, a degenerescência do estado fundamental se torna independente do grupo fundamental sobre o qual o modelo está definido, dependendo da ação do grupo de calibre e do segundo grupo de homologia. A segunda generalização pode ser vista como o dual algébrico da primeira. Nela, as mesmas propriedades de confinamento de quasipartículas está presente, mas a degenerescência do estado fundamental continua dependendo do grupo fundamental. Além disso, degenerescências adicionais aparecem, relacionadas ao homomorfismo de coação entre os grupos de matéria e de calibre. / In this work, we constructed two generalizations of a class of discrete bidimensional models, the so called Quantum Double Models, defined in orientable, compact and boundaryless manifolds. In the first generalization we introduced matter fields to the vertices and, in the second one, to the faces. Beside the basic model properties, we studied its topological order behaviour under the hypothesis that the basic states be indexed by Abelian groups. In the first generalization, appears a new phenomenon of quasiparticle confinement. As a consequence, the ground state degeneracy becomes independent of the fundamental group of the manifold on which the model is defined, depending on the action of the gauge group and on the second group of homology. The second generalization can be seen as the algebraic dual of the first one. In it, the same quasiparticle confinement properties are present, but the ground state degeneracy stay dependent on the fundamental group. Besides, additional degeneracies appear, related to a coaction homomorphism between matter and gauge groups.

Topological order is a new paradigm for quantum phases of matter developed to explain phase transitions which do not fit the symmetry breaking scheme for classifying phases of matter. They are characterized by patterns of entanglement that lead to topologically depended ground state degeneracy and anyonic excitations. One common approach for studying such phases in two-dimensional systems is through exactly solvable lattice Hamiltonian models such as quantum double models and String-Net models. The former can be understood as the Hamiltonian formulation of lattice gauge theories and, as such, it is defined by a finite gauge group. However, not much is known about topological phases in tridimensional systems. Motivated by this we develop a new class of three-dimensional exactly solvable models which go beyond quantum double models by using finite crossed modules instead of gauge groups. This approach relies on a lattice implementation of 2-gauge theory to obtain models with a richer topological structure. We construct the Hamiltonian model explicitly and provide a rigorous proof that the ground state degeneracy is a topological invariant and that the ground states can only be characterized with nonlocal order parameters. / Ordem topológica é um novo paradigma para fases quânticas da matéria desenvolvido para explicar transições de fase que não se encaixam no esquema de classificação de fases da matéria por quebra de simetria. Estas fases são caracterizadas por padrões de emaranhamento que levam a uma degenerescência de estado fundamental topológica e a excitações anyonicas. Uma abordagem comum para o estudo de tais fases em sistemas bidimensionais é através de modelos Hamiltonianos exatamente solúveis de rede como os modelos duplos quânticos e modelos de String-Nets. O primeiro pode ser entendido como a formulação Hamiltoniana de teorias de gauge na rede e, desta maneira, é definido por um group de gauge finito. Entretanto, pouco é conhecido a respeito de fases topológicas em sistemas tridimensionais. Motivado por isso nós desenvolvemos uma nova classe de modelos tridimensionais exatamente solúveis que vai alem de modelos duplos quânticos pelo uso de módulos cruzados finitos no lugar de grupos de gauge. Esta abordagem se baseia numa implementação em redes de teoria de 2-gauge para obter modelos com uma estrutura topológica mais rica. Nós construímos o modelos Hamiltoniano explicitamente e fornecemos uma demonstração rigorosa de que a degenerescência de estado fundamental é um invariante topológico e que os estados fundamentais só podem ser caracterizados por parâmetros de ordem não locais.

Géons topológicos podem ser vistos como um tipo de excitação localizada na topologia espacial. Nesta dissertação, estudamos um modelo físico simples, dado por uma teoria de Yang-Mills-Higgs com simetria de gauge descrita por um grupo de Lie compacto G, e com quebra espontânea de simetria para um subgrupo finito H G. Esta teoria é definida em um espaço-tempo de (2 + 1)d com topologia da forma x IR, onde descreve o plano com um único géon. Estudamos mais especificamente o setor de baixas energias dessa teoria, deduzindo o espaço de configuração clássico e quantizando-o. A quantização é feita identificando certa álgebra que descreve matematicamente o sistema, analisando com detalhes sua estrutura e buscando suas representações irredutíveis. Cada representação é então interpretada como um determinado setor de um géon da teoria. Em outras palavras, cada uma destas representações irredutíveis descreve um tipo de géon diferente. Em seguida, mostramos como estender essa descrição para um número N qualquer de géons. A teoria aqui desenvolvida pode ser vista como um \"toy model\" para o estudo das consequências de se ter uma topologia espacial não-trivial, e em particular, o estudo das propriedades físicas de géons. / Topological geons can be viewed as a sort of localized excitations in spatial topology. In this dissertation, we study a simple physical model, given by a Yang-Mills-Higgs theory with a gauge symmetry described by a compact Lie group G, spontaneously broken down to a finite subgroup H C G. We shall consider this theory to be defined on a (2 + 1)d spacetime with topology of the form E x IR, where describes a plane with a single geon. More specifically, we investigate the low energy sector of this theory, obtain its classical configuration space and quantize it. Quantization is accomplished by identifying a certain algebra, which mathematically describes the system, analyzing its structure in detail and obtaining its irreducible representations. Each such representation is then interpreted as an specific geonic sector of the theory. In other words, each one of the irreducible representations describes a distinct geon type. Moreover, we show how the above description can be extended to any number N of geons. The theory developed here may be viewed as a toy model for studying the consequences of non-trivial spatial topology, and in particular the study of the physical properties of geons.

Orientador: Ricardo Antonio Mosna / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-24T14:09:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tavares_GustavoMarques_M.pdf: 695474 bytes, checksum: c437bafa3afb0c0768437e1a139eea12 (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Neste trabalho estudamos os instantons da teoria de Yang-Mills nos espaços de Schwarzs-child e de Reissner-Nordstrom com grupo de gauge SU(2).Instantons são soluções clássicas da teoria de Yang-Mills definida em um espaço com métrica riemanniana (positiva-definida) e com ação finita. Primeiramente revisamos a formulação geométrica da teoria de Yang-Mills em uma variedade 4-dimensional,identificando os campos de gauge com conexões em um fibrado principal. Em seguida apresentamos os principais resultados clássicos relacionados aos instantons no espaço plano. Na segunda parte da dissertação realizamos um estudo sistemático das soluções da teoria de Yang-Mills nos espaços de Schwarzschild e de Reissner-Nordstrom euclidianos. Esta abordagem nos permitiu descobrir novas famílias de instantons neste contexto.Ainda,os resultados obtidos mostram que o número de famílias de instantons no espaço de Reissner- Nordstrom depende diretamente da carga elétrica que caracteriza esta geometria / Abstract: In this work we study instanton solutions of the Yang-Mills theory in Schwarzschild and Reissner-Nordstrom spaces with gauge group SU(2).Instantons are solutions to the classical field equations of Yang-Mills theory defined in a space with Riemannian (positive de finite)metric with finite action. We begin with a review of the geometric setting of Yang-Mills theory on a four dimensional manifold,which relates the gauge fields to connections on a fiber bundle.We proceed by presenting the main results related to instantons in flat space. In the second part of this thesis we perform a systematic study of the solutions of Yang-Mills theory in Euclidian Schwarzschild and Reissner-Nordstrom spaces.This approach led us to discover a new family of instantons de fined in those backgrounds. Moreover, our results show that the number of instanton families in the Reissner-Nordstrom space depends directly on the eletric charge which caracterizes this geometry / Mestrado / Física das Particulas Elementares e Campos / Mestre em Física

Seja p um \'S POT. 3\' - fibrado principal sobre uma esfera \'S POT. n\' , com n \' >OU=\' 4 . O objetivo deste trabalho é calcular os tipos de homotopia do grupo de gauge \'G IND. p\' desses fibrados p, estendendo o resultado determinado por A. Kono [25] quando n = 4. Apresentamos fórmulas explícitas para o operador bordo na seqüência exata de homotopia associada com a aplicação avaliação ev : m(\'S POT. n\' , B \'S POT. 3\' ) \'SETA\' B \'S POT. 3\' , traduzindo o problema nos cálculos envolvendo grupos de homotopia de esferas. Calculamos todos os casos clássicos, ou seja, aqueles que podem ser avaliados usando as informações encontradas no livro de H. Toda [46], determinando o tipo de homotopia do grupo de gauge desses fibrados para cada n \' > OU =\' 25 / Let p be a principal \'S POT. 3\' - bundle over a sphere \'S POT. n\' , with n\' > or =\' 4\'. The subject of this work is to calculate the homotopy type of the gauge group \'G IND. p\' of these bundles p, extending the result determined by A. Kono [25] when n = 4. We present explicit formulas for the boundary operator in the homotopy exact sequence associated with the evaluation map ev : m(\'S POT. n\' , B \'S POT. 3\' ) \' ARROW\' B \'S POT. 3\' , translating that problem into calculations involving homotopy groups of sphere. We calculate all the classical cases, namely those that can be dealt with using the information in the book of H. Toda [46], determining the homotopy type of the gauge group of these bundles for each n \'> or = 25

Estudando o processo q q BARRA W Brown, Mikaelian, Sahdev, Samuel descobriram um zero na distribuição angular do W quando seu momento magnético tem o valor característico de uma partícula de gauge. Goebel, Halzen e Leveille mostraram que este zero é uma consequência da fatorização da amplitude em um termo que contém a dependência da carga ou outros índices de simetria interna, e outro que contém a dependência dos spins ou índices de polarização. Esta fatorização existe em geral para amplitudes de processos envolvendo quatro partículas na aproximação árvore, quando uma ou mais destas partículas é um campo de gauge. Portanto a existência de um zero na seção de choque é uma prova direta da estrutura de gauge da teoria. A fatorização baseia-se em uma identidade, identidade de Jacobi espacial generalizada, cuja demonstração ou significado físico ainda não fora elucidado. O objetivo do presente trabalho é estudar esta identidade de Jacobi espacial generalizada. Para tanto calculamos, no capítulo I, a amplitude de um processo de espalhamento gluon-gluon envolvendo cinco partículas e reorganizando esta amplitude por analogia com um processo de interação fóton-pion, mostramos que não existe, no caso de cinco partículas, a identidade de Jacobi espacial generalizada, mas sim uma série de identidades espaciais parciais, que se compõe, no processo de quatro partículas, em uma única identidade. No capítulo II estudamos um processo envolvendo quatro partículas, das quais três campos escalares, porém agora aproximação de um loop, e mostramos que também não existe identidade de Jacobi espacial generalizada. / Brown, Mikaelian, Sahdev, and Samuel discovered that the angular distribution of the process q q BARRA W in lowest order has a zero, if the magnetic moment f the W has the characteristic value of a gauge field. Goebel, Halzen and Leveille showed that this zero is a consequence of a factorizability of the amplitude into one factor which contains the dependence on the charge or other internal, symmetry indices, and another which contains the dependence on the spin or polarization indices. This factorization is found to hold for any four particle tree-approximation amplitude, when one or more of the four particles is a gauge-field. Therefore, the study of the angular distribution of the process q q BARRA W, directly probes the gauge structure of the theory. The factorization hinges on a spatial generalized Jacobi identity obeyed by the polarization-dependent factors of the vertices, whose physical significance or general demonstration was not known. The purpose of the present work is to study this identity. With this in mind we work out, in chapter I, the amplitude of a scattering gluon-gloun with five particles. Reorganizing this amplitude by analogy with an interaction process photon-pion, we show that does not exist, in this case, the spatial generalized Jacobi identity, but instead many spatial partial identities that compose themselves, in the case of a four particle process, in one single identity. In chapter II, we study a process with four particles, three of them scalar fields, but in the one loop approximation, and show that, in this case too, does not exist the spatial generalized Jacobi identity.

Nós trabalhamos em três problemas relacionados com as teorias de gauge a temperatura finita. O primeiro discute a invariância de gauge da massa física do elétron num espaço de dimensão arbitrária a temperatura zero. Obtivemos a massa física a partir do polo do propagador fermiônico e demonstramos que a maneira usual de definir este propagador funciona para gauges covariantes mas não para gauges não covariantes. Em seguida propusemos um novo propagador e verificamos de duas formas diferentes que a massa física obtida a partir deste funciona para um gauge definido com parâmetros de controle tais que ele possa ser generalizado para as duas classes estudadas. O segundo problema é sobre a interação de n fótons num espaço de (1+1) dimensões no limite de altas temperaturas. Usando o formalismo de tempo imaginário e o modelo de Schwinger, mostramos que todos os termos das amplitudes causais retardadas com um ou mais loops têm contribuição nula. Interpretamos fisicamente este resultado e fizemos um paralelo de como ele se relaciona com a invariância CPT da teoria. A última parte é relacionada à gravitação quântica em (3+1) dimensões. Discutimos a possibilidade de obtermos as funções de n grávitons 1PI nos limites estático e de comprimento de onda longo em função de polinômios que podem ser escritos e relacionados de uma maneira simples. Para tanto, usamos as identidades de Ward e a invariância de Weyl de forma a relacionar as funções de n e (n+1) grávitons. Em seguida, utilizamos o formalismo da equação de transporte de Boltzmann para compreender melhor os resultados. / We have worked in three problems related to finite temperature gauge theory. The first one discusses the gauge invariance of the electron physical mass in an arbitrary dimension space at zero temperature. We have obtained the physical mass from the pole of the fermion propagator and we have demonstrated that the usual form to define this propagator works well for covariant gauges, but not for non covariant gauges. Then, we have proposed anew fermion propagator and we verified in two different ways that the physical mass obtained from this new one works for a gauge defined with control parameters so that it could be generalized for both classes studied. The second problem is on the n photon interaction in a space with (1+1) dimensions at hard thermal loops. Using the imaginary time formalism and the Schwinger\'s model, we have shown that all terms of the retarded causal amplitudes with one or more loops have null contribution. We have got a physical interpretation of this result and we have done a parallel of how it relates with the CPT invariance of this theory. The last one is related with quantum gravitation in (3+1) dimensions. We have discussed the possibility to obtain the 1PI n graviton functions in static and long-wavelength limits from polynomials which could be written and related in a simple manner. To this end, we used the Ward identities and the Weyl invariance to relate the n and (n+1) graviton functions. Then, we used the Boltzmann transport equation formalism to get a better understanding of the results.

Desenvolvemos aqui um estudo das formulações alternativas-equivalentes da Relatividade Geral, baseada no formalismo de conexões de Ashtekar. Iniciamos discutindo a estrutura matemática necessária de fibrados e conexões, e a teoria de sistemas Hamiltonianos vinculados. Em seguida, damos uma breve introdução ao formalismo métrico de Einstein e então passamos ao formalismo geometrodinâmico canônico (formalismo ADM). Introduzimos as transformações no espaço de fase que geram as formulações alternativas, de forma generalizada tal que possamos obter ambas as variáveis complexas de Ashtekar ou as variáveis reais de Barbero, ou mesmo qualquer forma intermediária por meio do parâmetro de Immirzzi. / We develop here a study of the alternative-equivalent formulations of General Relativity, based on Ashtekars connexion formalism. We begin discussing the mathematical structure needed of fibre bundles and connexions, and the theory of constrained Hamiltonian systems. Next, we give a brief introduction for Einsteins metric formalism and then we pass to the canonical geometrodynamic formalism (ADM formalism). We introduce the transformations of the phase space which generate the alternative formulations, in a generalized form such that we can obtain both Ashtekars complex variables or Barberos real variables, or even any intermediary form by using the Immirzzi parameter.

The production of three gauge bosons in high-energy collisions - in particular in view of a next-linear collider with center of mass energies in the TeV range - offers an unique opportunity to probe the Standard Model (SM) of today's particle physics. In this thesis we pay particular attention to the electroweak sector of the theory. We investigate the gauge structure {i. e. possible deviations from the SM predictions of gauge boson self-interactions manifest e. g. in anomalous quartic gauge boson couplings and Radiation zeros) as well as electroweak radiative corrections in order to improve theoretical predictions for SM processes. Quartic gauge boson couplings can be regarded as a direct window on the sector of electroweak symmetry breaking. We have studied the impact of three such anomalous couplings on the processes e+e(^-) → WWγ, ZZγ and Zγγ at LEP2 and a future linear collider. In certain high-energy scattering processes involving charged particles and the emission of one or more photons, the scattering amplitude vanishes for particular configurations of the final state particles. The fact that gauge symmetry is a vital ingredient for the cancellation to occur means that radiation zeros can be used to probe physics beyond the standard model. For example anomalous electroweak gauge boson couplings destroy the delicate cancellation necessary for the zero to occur. We have studied the process qq → WWγ. To match the expected experimental precision at future linear colliders, improved theoretical predictions beyond next-to-leading order are required. By choosing an appropriate gauge, we have developed a formalism to calculate such corrections for arbitrary electroweak processes. As an example we consider here the processes e(^+)e → f f and e(^+)e(^-) → W(^+)(_T)W(^-)(_T), W(^+)(_L)W(^-)(_L) and study the perturbative structure of the electroweak Sudakov logarithms by means of an explicit two-loop calculation. In this way we investigate how the Standard Model, with its mass gap between the photon and Z boson in the neutral sector, compares to unbroken theories like QED and QCD. We observe that the two-loop corrections are consistent with an exponentiation of the one-loop corrections. In this sense the Standard Model behaves like an unbroken theory at high energies.