University, Diss., 2004--Münster (Westfalen). / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2003.

Universiẗat, Diss., 2000--Wuppertal.

University, Diss., 2003--Bonn.

Quantenfeldtheorien, die auf Räumen mit nichtkommutierenden Koordinaten definiert sind, finden in den letzten Jahren zunehmend Interesse. Mögliche Anwendungen dieser Modelle gibt es unter anderem in der Stringtheorie, der Phänomenologie der Elementarteilchen und in der Festkörperphysik. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir nichtstörungstheoretisch solche nichtkommutativen Feldtheorien mit Hilfe von Monte-Carlo Simulationen. Wir betrachten eine zweidimensionale reine U(1) Eichfeldtheorie und eine dreidimensionale skalare Feldtheorie. Dazu bilden wir die entsprechenden Gittertheorien auf dimensional reduzierte Modelle ab, die mittels N x N Matrizen formuliert sind. Die 2d Eichtheorie auf dem Gitter ist äquivalent zum twisted Eguchi-Kawai Modell, das wir für N=25 bis 515 simulierten. Wir beobachteten ein deutliches Skalierungsverhalten der Ein- und Zweipunktfunktionen von Wilson-Schleifen sowie von Zweipunktfunktionen von Polyakov-Linien bei großen N. Die Zweipunktfunktionen stimmen mit einer universellen Wellenfunktionsrenormierung überein. Der Doppel-Skalierungslimes bei N gegen unendlich entspricht dem Kontinuumslimes in der nichtkommutativen Gittereichtheorie. Das beobachtete Skalierungsverhalten bei großen N zeigt die nichtstörungstheoretische Renormierbarkeit dieser nichtkommutativen Feldtheorie. Für kleine Flächen gilt das Flächengesetz der Wilson-Schleifen wie in der kommutativen 2d planaren Eichtheorie. Für große Flächen finden wir jedoch stattdessen ein oszillierendes Verhalten. In diesem Bereich wächst die Phase der Wilson-Schleifen linear mit der Fläche. Identifiziert man den Nichtkommutativitätsparameter mit einem inversen Magnetfeld, entspricht dies dem Aharonov-Bohm-Effekt. Als nächstes untersuchen wir das 3d lambda phi^4 Modell mit zwei nichtkommutierenden Dimensionen. Wir analysieren das Phasendiagramm. Unsere Ergebnisse stimmen mit einer Vermutung von Gubser und Sondhi in vier Dimensionen überein. Sie sagen vorher, daß sich der geordnete Bereich in eine uniforme und eine nichtuniforme Phase aufspaltet. Desweiteren zeigen wir Ergebnisse für Korrelatoren und der Dispersionsrelation. In der nichtkommutativen Feldtheorie ist die Lorentz-Symmetrie explizit gebrochen, was zu einer deformierten Dispersionsrelation führt. In der Ein-Schleifen Störungstheorie ergibt sich ein zusätzlicher infrarot divergenter Term. Unsere Daten bestätigen dieses störungstheoretische Ergebnis. Wir bestätigen ebenso eine Beobachtung von Ambjorn und Catterall, daß eine nichtuniforme Phase auch in zwei Dimensionen existiert, obwohl dies eine spontane Brechung der Translationssymmetrie impliziert. / In the recent years there is a surge of interest in quantum field theories on spaces with non-commutative coordinates. The potential applications of such models include string theory, particle phenomenology as well as solid state physics. We perform a non-perturbative study of such non-commutative field theories by the means of Monte Carlo simulations. In particular we consider a two dimensional pure U(1) gauge field theory and a three dimensional scalar field theory. To this end we map the corresponding lattice theories on dimensionally reduced models, which are formulated in terms of N x N matrices. The 2d gauge theory on the lattice is equivalent to the twisted Eguchi-Kawai model, which we simulated at N ranging from 25 to 515. We observe a clear large N scaling for the 1- and 2-point function of Wilson loops, as well as the 2-point function of Polyakov lines. The 2-point functions agree with a universal wave function renormalization. The large N double scaling limit corresponds to the continuum limit of non-commutative gauge theory, so the observed large N scaling demonstrates the non-perturbative renormalizability of this non-commutative field theory. The area law for the Wilson loops holds at small physical area as in commutative 2d planar gauge theory, but at large areas we find an oscillating behavior instead. In that regime the phase of the Wilson loop grows linearly with the area. This agrees with the Aharonov-Bohm effect in the presence of a constant magnetic field, identified with the inverse non-commutativity parameter. Next we investigate the 3d lambda phi^4 model with two non-commutative coordinates and explore its phase diagram. Our results agree with a conjecture by Gubser and Sondhi in d=4, who predicted that the ordered regime splits into a uniform phase and a phase dominated by stripe patterns. We further present results for the correlators and the dispersion relation. In non-commutative field theory the Lorentz invariance is explicitly broken, which leads to a deformation of the dispersion relation. In one loop perturbation theory this deformation involves an additional infrared divergent term. Our data agree with this perturbative result. We also confirm the recent observation by Ambjorn and Catterall that stripes occur even in d=2, although they imply the spontaneous breaking of the translation symmetry.

Das Potential zwischen einem statischen Quark und Antiquark in der reinen SU(3) Yang-Mills Theorie wird auf dem Gitter in der Region von kurzen bis mittleren Abstaenden (0.05 fm < r < 0.8fm) nichtperturbativ ausgewertet. Renormalisierte dimensionslose Observablen werden zum Kontinuumslimes extrapoliert und bestaetigen damit die theoretische Erwartung, dass die fuehrenden Gitterartifakte quadratisch im Gitterabstand sind. Bei hohen Energien werden die Resultate mit der parameterfreien Vorhersage der Stoerungtheorie verglichen; diese wird erreicht, indem man die Renormierungsgruppengleichung in zwei- und drei-Loop-Ordnung loest. Die Wahl des Renormierungschemas fuer die Definition der laufenden Kopplung ist wichtig fuer die Genauigkeit der perturbativen Vorhersage. Wenn man die laufende Kopplung durch die Kraft definiert, ist Stoerungstheorie bis zu alpha ~ 0.3 anwendbar, waehrend mit dem statischen Potential nur bis zu alpha ~ 0.15. In der Region, in der Stoerungstheorie zuverlaessig sein sollte, wird kein grosser unerwarteter nichtperturbativer Term beobachtet: im Gegenteil, man findet eine gute uebereinstimmung zwischen Stoerungtheorie und unseren nicht-perturbativen Daten. Fuer grosse Quark-Antiquark Abstaende werden unsere Ergebnisse mit den Vorhersagen einer effektiven bosonischen Stringtheorie verglichen, und man findet bereits eine ueberraschend gute Uebereinstimmung fuer Abstaende > 0.5 fm. Im zweiten Teil dieser Arbeit sind Universalitaet und Skalierungsverhalten von unterschiedlichen Formulierungen der Yang-Mills Theorie auf dem Gitter diskutiert. Insbesondere werden Iwasaki- und DBW2- Wirkungen untersucht, die durch Renormierungsgruppe (RG) Argumente formuliert wurden. Die Laengenskala r_0 ~ 0.5 fm wird bei einigen Gitterabstaenden ausgewertet und die Skalierung der kritischen Deconfinement Temperatur T_c * r_0 wird mit den Resultaten analysiert und konfrontiert, die mit der ueblichen Wilson Plaquette Wirkung erreicht werden. Da sie im Kontinuumslimes uebereinstimmen, wird die Universalitaet bestaetigt. Die Groesse die man benutzt, um die Skala einzustellen, muss mit Vorsicht gewaehlt werden, um grosse systematische Ungenauigkeiten zu vermeiden. Fuer diesen Zweck zeigt sich r_0 als angebracht. Fuer die kritische Temperatur zeigen die Daten, die mit RG Wirkungen erhalten werden, verringerte Gitterartifakte, vor allem mit der Iwasaki Wirkung. Schliesslich wird die Masse der 0^{++}- und 2^{++}-Glueballs ausgewertet, indem man die Observablen m_0^{++} *r_0 und m_2^{++}*r_0 betrachtet. Jedoch kann keine genaue Schlussfolgerung ueber das Scalingverhalten fuer diese Observablen gezogen werden. Eine besondere Aufmerksamkeit ist der Verletzung der physikalischen Positivitaet, die in diesen Wirkungen auftritt und den Konsequenzen in der Extraktion der physikalischen Groessen aus euklidischen Korrelationsfunktionen gewidmet. / The potential between a static quark and antiquark in pure SU(3) Yang-Mills theory is evaluated non-perturbatively through computations on the lattice in the region from short to intermediate distances (0.05 fm < r 0.5 fm. In the second part of this work, universality and scaling behavior of different formulations of Yang-Mills theory on the lattice are discussed. In particular, the Iwasaki and DBW2 action are investigated, which were obtained by following renormalization group (RG) arguments. The length scale r_0 ~ 0.5 fm is evaluated at several lattice spacings and the scaling of the critical deconfinement temperature T_c*r_0 is analyzed and confronted with the results obtained with the usual Wilson plaquette action. Since they agree in the continuum limit, the universality is confirmed. We remark that the quantity to use to set the scale has to be chosen with care in order to avoid large systematic uncertainties and $\rnod$ turns out to be appropriate. For the critical temperature the data obtained with RG actions show reduced lattice artifacts, above all with the Iwasaki action. Finally the mass of the glueballs 0^{++} and 2^{++} is evaluated by considering the quantities m_0^{++}*r_0 and m_2^{++}*r_0; however for those observables no clear conclusion about the scaling behavior can be drawn. Particular attention is dedicated to the violation of physical positivity which occur in these actions and the consequences in the extraction of physical quantities from Euclidean correlation functions.

Lattice gauge theories are crucial for our understanding of many physical phenomena ranging from fundamental particle interactions in high-energy physics to frustration and topological order in condensed matter. Hence, many equilibrium aspects of these theories have been studied intensively over the past decades. Recent developments, however, have shown that the study of nonequilibrium dynamics in lattice gauge theories also provides a very fertile ground for interesting phenomena. This thesis is devoted to the study of two particular dynamical processes in lattice gauge theories and related quantum spin models. First, we show that an interacting two-dimensional lattice gauge theory can exhibit disorder-free localization: a mechanism for ergodicity breaking due to local constraints imposed by gauge invariance. This result is particularly remarkable as the stability in two dimensions of the more conventional (disorder-induced) many-body localization is still debated. Concretely, we show this type of nonergodic behavior in the quantum link model. Our central result is based on a bound on the localization-delocalization transition, which is established through a concomitant classical percolation problem. Further, we develop a numerical method dubbed “variational classical networks”, to study the quantum dynamics in this system. This technique provides an efficient and perturbatively controlled representation of the wave function in terms of networks of classical spins akin to artificial neural networks. This allows us to identify distinguishing transport properties in the localized and ergodic phases, respectively. In the second problem, we study the dynamics of string breaking, a key process in confining gauge theories, where a string connecting two charges decays due to the creation of new particle-antiparticle pairs. Our main result here is that string breaking can also be observed in quantum Ising chains, in which domain walls get confined either by a symmetry-breaking field or by long-range interactions. We identify, in general, two distinct stages in this process. While at the beginning the initial charges remain stable, the string can exhibit complex dynamics with strong quantum correlations. We provide an effective description of this string motion, and find that it can be highly constrained. In the second stage, the string finally breaks at a timescale that depends sensitively on the initial separation of domain walls. We observe that the second stage can be significantly delayed as a consequence of the dynamical constraints appearing in the first stage. Finally, we discuss the generalization of our results to low-dimensional confining gauge theories. As a general aspect of this work, we discuss how the phenomena studied here could be realized experimentally with current and future technologies in quantum simulation. Furthermore, the methods developed in this thesis can also be applied to other lattice gauge theories and constrained quantum many-body models, not only to address purely theoretical questions but also to provide a theoretical description of experiments in quantum simulators. / Gittereichtheorien sind ein wichtiger Bestandteil im Verständnis vieler physikalischer Phänomene und Grundlage verschiedener Theorien, welche sich von der elementaren Wechselwirkungen in der Hochenergiephysik, Frustration in Spinmodellen bis hin zu topologischer Ordnung in der Festkörperphysik erstrecken. Die Eigenschaften von Eichtheorien im Gleichgewicht waren in den letzten Jahrzehnten ein zentraler Punkt der Forschung. Obwohl sich Untersuchungen der Dynamik jenseits des Gleichgewichs als eine große Herausfordung dargestellt haben, haben kürzliche Erkenntnisse gezeigt, dass die Dynamik in Gittereichtheorien überraschende und interessante Entdeckungen bereithält. Diese Dissertation behandelt zwei zentrale dynamische Prozesse in Gittereichtheorien und verwandten Spinmodellen. Einerseits soll die Dynamik von zweidimensionalen und wechselwirkenden Gittereichtheorien untersucht werden im Falle des sogenan- nten Quanten-Link-Modells untersucht werden. Entgegen der Ergodenhypothese zeigt das System Lokalisierung ohne Unordnung aufgrund lokaler Zwangsbedingungen durch Eininvarianz. Dieses Ergebnis ist insofern bemerkenswert, als die gewöhnliche, durch Unordnung induzierte, Vielteilchenlokalisierung in zwei Dimensionen umstritten ist. Als ein Hauptergebnis finden wir einen Übergang zwischen einer lokalisierten und ergodischen Phase, dessen Existenz durch ein zugehöriges klassisches Perkolationsproblem gezeigt werden konnte. Die quantenmechanischen Transporteigenschaften, elementar verschieden in der lokalisierten und ergodischen Phase, werden charakterisiert und untersucht. Die Lösung der quantenmechanischen Zeitentwicklung wird durch eine methodische Weiterentwicklung der sogenannten „variationellen klassischen Netzwerke“ erreicht Diese Methode stellt eine perturbative, aber kontrollierte Repräsentation von zeitentwickelten quantenmechanischen Wellenfunktionen dar in Form von Netzwerken klassischer Spins, ähnlich wie bei einem künstlichen neuronalen Netz. Im zweiten Teil untersuchen wir die Dynamik eines Schlüsselprozesses in Eichtheorien mit Confinement, welcher als „String-Breaking“ bezeichnet wird In diesem Prozess zerfällt der der Strang, der zwei elementare Ladungen verbindet, durch die Bildung neuer Teilchen-Antiteilchen-Paare. Ein Hauptresultat dieser Arbeit ist die Beobachtung dieses dynamischen Phänomens in Quantum-Ising-Ketten und damit in Systemen ohne Eichinvarianz. Das Confinement entsteht dabei zwischen Domänenwänden entweder durch eine langreichweitige Wechselwirkung zwischen den beteiligten Spins oder durch symmetriebrechende Magnetfelder. Es wird gezeigt, dass während des „String-breaking“ Prozesses das Modell zwei Phasen durchläuft: Während zu Beginn die Anfangsladungen stabil bleiben, weist der Strang eine komplexe Dynamik mit starken Quantenkorrelationen auf. Für diese erste Phase wird eine effektive Beschreibung eingeführt, um die verschiedenen Aspekte zu analysieren und zu verstehen. Die Zeitskalen zur Destabilisierung des Strangs innerhalb einer zweiten Phase zeigen eine starke Abhängigkeit von der anfänglichen Trennung der Domänenwände. Es wird gezeigt, dass die zweite Phase als Konsequenz der dynamischen Beschränkungen der ersten Phase signifikant verzögert werden kann. Diese Resultate können in niedrigdimensionalen Eichtheorien verallgemeinert werden. Weiterführend sollen die Ergebnisse als Grundlage einer experimentellen Realisierung durch Quantensimulationen dienen. Die entwickelten Methoden können auf andere Eichtheorien und verwandten Vielteilchenmodellen angewendet werden und bieten eine Plattform für weitere Ansätze.

Gittersimulationen der Quantenchromodynamik ermöglichen eine vollständig nichtperturbative Berechnung hadronischer Korrelationsfunktionen, allerdings müssen die Beiträge angeregter Zustände unter Kontrolle sein um verlässlich physikalische Größen wie Teilchenenergien und Matrixelemente extrahieren zu können. In dieser Arbeit wird eine effektive Feldtheorie, die Chirale Störungstheorie Schwerer Mesonen (ChSTSM), verwendet um die dominanten Beiträge der angeregten Zustände in B Meson Korrelationsfunktionen, die zur Extraktion von CKM Matrixelementen verwendet werden, analytisch zu bestimmen. Zuerst werden die Analoga der Quarkbilineare, die als interpolierende Felder in Gittersimulationen verwendet werden, in der ChSTSM hergeleitet. Diese hängen von Niedrig-Energie-Konstanten (NEKs) ab, deren Werte für lokale Felder bekannt sind. Geschmierte interpolierende Felder kann man andererseits durch verändern dieser numerischen Werte beschreiben. Dies wird im Laufe der Arbeit mehrfach genutzt um den Einfluss des Schmierens zu untersuchen. Mit den Feldern kann die Zweipunkt-Funktion des B Meson berechnet werden, aus der seine Masse und Zerfallskonstante sowie die jeweiligen Beiträge der angeregten Zustände bestimmt werden können. Aus Quotienten von passend gewählten Drei- und Zweipunkt-Funktionen werden weiterhin die ChSTSM NEK g, die Formfaktoren des semileptonischen B Zerfalls und die Matrixelemente, die neutrale B Oszillationen beschreiben, sowie die dominanten Beiträge der angeregten Zustände bestimmt. Letztere führen, abhängig von den Werten der NEKs, meist zu einem um ein paar Prozent höheren Wert für die Quotienten. Einige Ergebnisse hängen zusätzlich von weiteren unbekannten NEKs ab. Für diese werden Korrelationsfunktionen angegeben aus denen sie mittels Gitterrechnungen bestimmt werden können. Im Gegensatz zu den vorherigen Ergebnissen sind die Beiträge der angeregten Zustände für einen der semileptonischen Formfaktoren eine Größenordnung größer und negativ. / Lattice simulations of Quantum Chromodynamics allow for a fully non-perturbative computation of hadronic correlation functions, but for a reliable extraction of physical quantities such as particle energies and matrix elements the contribution of excited states needs to be under control. In this thesis, an effective field theory known as Heavy Meson Chiral Perturbation Theory (HM ChPT) is used to analytically compute the dominant excited states contamination of B meson correlators which are relevant for the extraction of CKM matrix elements. First, the analogues of the quark bilinears which are used as interpolating fields in lattice simulations are derived in HM ChPT. These depend on a set of low energy constants (LECs) which are known for local fields. On the other hand, smeared interpolating fields can be incorporated in the effective theory by changing the values of these LECs, a fact that will be used throughout this thesis for investigating the effect of smearing. The interpolating fields are used to compute the B meson two-point function from which the B meson mass and decay constant as well as the respective excited states contamination can be extracted. From suitably chosen ratios of three-point functions and two-point functions, the HM ChPT LEC g, the form factors of semileptonic B meson decay, and the matrix elements of neutral B meson oscillations were determined. The computed excited states contamination of these ratios usually leads to an overestimation of the order of a few percent, depending on the values chosen for the LECs. Some results depend on so far unknown LECs, for which suitable correlation functions for a lattice determination are presented. In contrast, the excited states contamination of one of the semileptonic form factors is an order of magnitude larger and negative.