Im Rahmen des Funktionalintegralzugangs zur Quanteneichfeldtheorie wird in der vorliegenden Arbeit eine Quantisierungsprozedur in Termen eichinvarianter Felder vorgeschlagen und am Beispiel zwei- und vierdimensionaler abelscher Modelle (Thirring-Modell und QED) sowie der One-Flavour QCD konkret realisiert. Dazu wird die Algebra der aus der eichabhängigen Feldkonfiguration der zugrunde liegenden Quantenfeldtheorie gebildeten eichinvarianten Grassmann-Algebra-wertigen Differentialformen, welche die Struktur einer Z_2-graduierten Differentialalgebra trägt, näher untersucht. Danach erfolgt die Implementierung eines geeignet gewählten Satzes eichinvarianter Felder sowie bestimmter algebraischer Relationen in das Funktionalintegral, wodurch die ursprüngliche eichabhängige Feldkonfiguration ausintegriert werden kann. Diese als "Reduktion des Funktionalintegrals" bezeichnete Prozedur führt schließlich auf eine effektive bosonisierte (Quanten-) Theorie wechselwirkender eichinvarianter, und damit physikalischer Felder. Die vorgestellte Prozedur kann als allgemeines Bosonisierungsschema für Quantenfeldtheorien in beliebigen Raum-Zeit-Dimensionen angesehen werden. Die physikalische Auswertung der erhaltenen effektiven Theorien wird am Beispiel der Berechnung der chiralen Anomalie sowie bestimmter Vakuum-Erwartungswerte im Rahmen der untersuchten abelschen Modelle demonstriert. Wie sich dabei zeigt, wird man mit einer Reihe neuartiger Phänomene und Probleme konfrontiert, die bei geeigneter Behandlung tiefere Einblicke in nichtperturbative Fragestellungen erlauben. / Within the thesis a new procedure, called "reduction of the functional integral", is developed for formulating quantum field theories in terms of gauge invariant quantities (physical observable fields). It provides a new way for the construction and analysis of effective field theoretical models. Starting with a detailed mathematical analysis of the algebra of Grassmann--algebra valued gauge invariants, the procedure is applied to the two--dimensional Thirring--model, the four--dimensional spinor QED and the one--flavor QCD in four dimensions. For each of these three models an effective theory of interacting bosonic gauge invariant fields was deduced on the quantum level. Apart from this more theoretical considerations, first steps on the way to an analysis of the obtained effective models towards their application in various physical problems are performed. In the case of the two Abelian models a new approach to the bosonisation scheme and the calculation of the chiral anomaly in two and four dimensions were obtained, giving some deeper insight into the nature of the bosonisation phenomenon as well as the nature of anomalies, respectively. Moreover, the investigation of current--current expectation values shows that the suggested procedure can be viewed as a new way towards a non--perturbative formulation and understanding of quantum field theories.

The time coordinate is a common obstacle in the theory of non-commutative (nc.) spacetimes. Despite that, this work shows how the interplay between quantum fields and an underlying nc. spacetime can still be analyzed, even for the case of nc. time. This is done for the example of a general Moyal-type external potential scattering of the Dirac field in Moyal-Minkowski spacetime. The spacetime is a rare example of a Lorentzian non-compact nc. geometry. Elements of the associated spectral function algebra are shown to be operationally involved at the level of quantum field operators by Bogoliubovs formula. Furthermore, a similar task is attacked in the case of locally nc. spacetimes. An explicit star-product is constructed by a method of Kontsevich. It implements a decay of non-commutativity with increasing distance. This behavior should benefit the technical side - diverse interesting formal attempts are discussed. It is striven for unification of several toy models of nc. spacetimes and a general strategy to define quantum field operators. Within the latter one has to implement the usual quantum behavior as well as a new kind of spacetime behavior. It is shown how this two-fold character causes key difficulties in understanding.

Im Rahmen des Funktionalintegralzugangs zur Quanteneichfeldtheorie wird in der vorliegenden Arbeit eine Quantisierungsprozedur in Termen eichinvarianter Felder vorgeschlagen und am Beispiel zwei- und vierdimensionaler abelscher Modelle (Thirring-Modell und QED) sowie der One-Flavour QCD konkret realisiert. Dazu wird die Algebra der aus der eichabhängigen Feldkonfiguration der zugrunde liegenden Quantenfeldtheorie gebildeten eichinvarianten Grassmann-Algebra-wertigen Differentialformen, welche die Struktur einer Z_2-graduierten Differentialalgebra trägt, näher untersucht. Danach erfolgt die Implementierung eines geeignet gewählten Satzes eichinvarianter Felder sowie bestimmter algebraischer Relationen in das Funktionalintegral, wodurch die ursprüngliche eichabhängige Feldkonfiguration ausintegriert werden kann. Diese als "Reduktion des Funktionalintegrals" bezeichnete Prozedur führt schließlich auf eine effektive bosonisierte (Quanten-) Theorie wechselwirkender eichinvarianter, und damit physikalischer Felder. Die vorgestellte Prozedur kann als allgemeines Bosonisierungsschema für Quantenfeldtheorien in beliebigen Raum-Zeit-Dimensionen angesehen werden. Die physikalische Auswertung der erhaltenen effektiven Theorien wird am Beispiel der Berechnung der chiralen Anomalie sowie bestimmter Vakuum-Erwartungswerte im Rahmen der untersuchten abelschen Modelle demonstriert. Wie sich dabei zeigt, wird man mit einer Reihe neuartiger Phänomene und Probleme konfrontiert, die bei geeigneter Behandlung tiefere Einblicke in nichtperturbative Fragestellungen erlauben. / Within the thesis a new procedure, called "reduction of the functional integral", is developed for formulating quantum field theories in terms of gauge invariant quantities (physical observable fields). It provides a new way for the construction and analysis of effective field theoretical models. Starting with a detailed mathematical analysis of the algebra of Grassmann--algebra valued gauge invariants, the procedure is applied to the two--dimensional Thirring--model, the four--dimensional spinor QED and the one--flavor QCD in four dimensions. For each of these three models an effective theory of interacting bosonic gauge invariant fields was deduced on the quantum level. Apart from this more theoretical considerations, first steps on the way to an analysis of the obtained effective models towards their application in various physical problems are performed. In the case of the two Abelian models a new approach to the bosonisation scheme and the calculation of the chiral anomaly in two and four dimensions were obtained, giving some deeper insight into the nature of the bosonisation phenomenon as well as the nature of anomalies, respectively. Moreover, the investigation of current--current expectation values shows that the suggested procedure can be viewed as a new way towards a non--perturbative formulation and understanding of quantum field theories.

Thema dieser Dissertation ist die Renormierung von perturbativer skalarer Quantenfeldtheorie bei großer Schleifenzahl. Der Hauptteil der Arbeit ist dem Einfluss von Renormierungsbedingungen auf renormierte Greenfunktionen gewidmet. Zunächst studieren wir Dyson-Schwinger-Gleichungen und die Renormierungsgruppe, inklusive der Gegenterme in dimensionaler Regularisierung. Anhand zahlreicher Beispiele illustrieren wir die verschiedenen Größen. Alsdann diskutieren wir, welche Freiheitsgrade ein Renormierungsschema hat und wie diese mit den Gegentermen und den renormierten Greenfunktionen zusammenhängen. Für ungekoppelte Dyson-Schwinger-Gleichungen stellen wir fest, dass alle Renormierungsschemata bis auf eine Verschiebung des Renormierungspunktes äquivalent sind. Die Verschiebung zwischen kinematischer Renormierung und Minimaler Subtraktion ist eine Funktion der Kopplung und des Regularisierungsparameters. Wir leiten eine neuartige Formel für den Fall einer linearen Dyson-Schwinger Gleichung vom Propagatortyp her, um die Verschiebung direkt aus der Mellintransformation des Integrationskerns zu berechnen. Schließlich berechnen wir obige Verschiebung störungstheoretisch für drei beispielhafte nichtlineare Dyson-Schwinger-Gleichungen und untersuchen das asymptotische Verhalten der Reihenkoeffizienten. Ein zweites Thema der vorliegenden Arbeit sind Diffeomorphismen der Feldvariable in einer Quantenfeldtheorie. Wir präsentieren eine Störungstheorie des Diffeomorphismusfeldes im Impulsraum und verifizieren, dass der Diffeomorphismus keinen Einfluss auf messbare Größen hat. Weiterhin untersuchen wir die Divergenzen des Diffeomorphismusfeldes und stellen fest, dass die Divergenzen Wardidentitäten erfüllen, die die Abwesenheit dieser Terme von der S-Matrix ausdrücken. Trotz der Wardidentitäten bleiben unendlich viele Divergenzen unbestimmt. Den Abschluss bildet ein Kommentar über die numerische Quadratur von Periodenintegralen. / This thesis concerns the renormalization of perturbative quantum field theory. More precisely, we examine scalar quantum fields at high loop order. The bulk of the thesis is devoted to the influence of renormalization conditions on the renormalized Green functions. Firstly, we perform a detailed review of Dyson-Schwinger equations and the renormalization group, including the counterterms in dimensional regularization. Using numerous examples, we illustrate how the various quantities are computable in a concrete case and which relations they satisfy. Secondly, we discuss which degrees of freedom are present in a renormalization scheme, and how they are related to counterterms and renormalized Green functions. We establish that, in the case of an un-coupled Dyson-Schwinger equation, all renormalization schemes are equivalent up to a shift in the renormalization point. The shift between kinematic renormalization and Minimal Subtraction is a function of the coupling and the regularization parameter. We derive a novel formula for the case of a linear propagator-type Dyson-Schwinger equation to compute the shift directly from the Mellin transform of the kernel. Thirdly, we compute the shift perturbatively for three examples of non-linear Dyson-Schwinger equations and examine the asymptotic growth of series coefficients. A second, smaller topic of the present thesis are diffeomorphisms of the field variable in a quantum field theory. We present the perturbation theory of the diffeomorphism field in momentum space and find that the diffeomorphism has no influence on measurable quantities. Moreover, we study the divergences in the diffeomorphism field and establish that they satisfy Ward identities, which ensure their absence from the S-matrix. Nevertheless, the Ward identities leave infinitely many divergences unspecified and the diffeomorphism theory is perturbatively unrenormalizable. Finally, we remark on a third topic, the numerical quadrature of Feynman periods.

In dieser Arbeit wird der Ansatz der Weltlinienquantenfeldtheorie (WQFT) zur Berechnung von Observablen des klassischen allgemeinen relativistischen Zweikörpersystems vorgestellt. Kompakte Körper wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne werden im Rahmen einer effektiven Feldtheorie mit Weltlinienfeldern beschrieben. Die WQFT behandelt alle Weltlinienfelder gleichberechtigt mit dem Gravitationsfeld und ist definiert als die tree-level-Beiträge eines Pfadintegrals auf diesen Feldern. Zuerst wird die effektive feldtheoretische Beschreibung von kompakten Körpern mit Weltlinien und die post-Minkowski'schen Approximation der Streuung dieser Körpern vorgestellt. Die Einbeziehung des Spins wird mit besonderem Augenmerk auf ihre supersymmetrische Beschreibung in Form von antikommutierenden Grassmann-Variablen analysiert. Anschließend wird die WQFT mit einer Diskussion ihrer in-in Schwinger-Keldysh-Formulierung, ihrer Feynman-Regeln und Graphengenerierung sowie ihrer on-shell Einpunktfunktionen vorgestellt. Die Berechnung von Streuobservablen erfordert im Allgemeinen die Auswertung von Multi-Loop-Integralen, und wir analysieren die Zwei-Loop-Integrale, die in der dritten post-Minkowski'schen Ordnung der Weltlinienobservablen auftreten. Schließlich wenden wir uns den Ergebnissen der WQFT zu und beginnen mit der gravitativen Bremsstrahlung bei der Streuung zweier rotierender Körper. Diese Wellenform wird zusammen mit der Strahlungsinformation der Linear- und Drehimpulsflüsse diskutiert. Der gesamte abgestrahlte Drehimpuls führender post-Minkowski'schen Ordnung wird abgeleitet. Wir präsentieren dann die Ergebnisse des konservativen und strahlenden Impulses und des Spin-Kicks bei dritter post-Minkowski'scher Ordnung und quadratischer Ordnung in Spins zusammen mit der Abbildung der ungebundenen Ergebnisse auf einen konservativen (gebundenen) Hamiltonian bei der entsprechenden perturbativen Ordnung. / In this work the worldline quantum field theory (WQFT) approach to computing observables of the classical general relativistic two-body system is presented. Compact bodies such as black holes or neutron stars are described in an effective field theory by worldline fields with spin degrees of freedom efficiently described by anti-commuting Grassmann variables. Novel results of the WQFT include the gravitational bremsstrahlung at second post-Minkowskian order and the impulse and spin kick at third post-Minkowskian order all at quadratic order in spins. Next, the WQFT is presented with a comprehensive discussion of its in-in Schwinger-Keldysh formulation, its Feynman rules and graph generation and its on-shell one-point functions which are directly related to the scattering observables of unbound motion. Here, we present the second post-Minkowskian quadratic-in-spin contributions to its free energy from which the impulse and spin kick may be derived to the corresponding order. The computation of scattering observables requires the evaluation of multi-loop integrals and for the computation of observables at the third post-Minkowskian order we analyze the required two-loop integrals. Our discussion uses retarded propagators which impose causal boundary conditions of the observables. Finally we turn to results of the WQFT starting with the gravitational bremsstrahlung of the scattering of two spinning bodies. This waveform is discussed together with its radiative information of linear and angular momentum fluxes. Lastly we present the conservative and radiative impulse and spin kick at third post-Minkowskian order and quadratic order in spins together with the a conservative Hamiltonian at the corresponding perturbative order. The results obey a generalized Bini-Damour radiation-reaction relation and their conservative parts can be parametrized in terms of a single scalar.

Die konforme Feldtheorie findet in verschiedenen Bereichen Anwendungen, von statistischen Systemen in der Nähe kritischer Punkte bis hin zur Quantengravitation durch die AdS/CFT-Korrespondenz. Diese Theorien unterliegen starken Einschränkungen, die eine systematische nicht-perturbative Analyse ermöglichen. Konforme Defekte bieten eine kontrollierte Möglichkeit, die Symmetrie zu brechen und neue physikalische Phänomene einzuführen, während wichtige Vorteile der zugrunde liegenden konformen Symmetrie erhalten bleiben. Diese Dissertation untersucht konforme Liniendefekte sowohl im schwachen als auch im starken Kopplungsregimes. Es werden zwei verschiedene Klassen von Modellen untersucht. Wir konzentrieren uns zuerst auf die supersymmetrische Wilson-Linie in N = 4 Super Yang-Mills, die als ideales Testfeld für die Entwicklung innovativer Techniken wie dem analytischen konformen Bootstrap dient. Die zweite Klasse besteht aus magnetische Linien in Yukawa-Modellen, die faszinierende Anwendungen in 3d kondensierten Materiesystemen haben. Diese Systeme haben das Potenzial, Phänomene des Standardmodells in einem Niedrigenergieszenario nachzubilden. / Conformal field theory finds applications across diverse fields, from statistical systems at criticality to quantum gravity through the AdS/CFT correspondence. These theories are subject to strong constraints, enabling a systematic non-perturbative analysis. Conformal defects provide a controlled means of breaking the symmetry, introducing new physical phenomena while preserving crucial benefits of the underlying conformal symmetry. This thesis investigates conformal line defects in both the weak- and strong-coupling regimes. Two distinct classes of models are studied. First, we focus on the supersymmetric Wilson line in N = 4 Super Yang–Mills, which serves as an ideal testing ground for the development of innovative techniques such as the analytic conformal bootstrap. The second class consists of magnetic lines in Yukawa models, which have fascinating applications in 3d condensed-matter systems. These systems have the potential to emulate phenomena observed in the Standard Model in a low-energy setting.

Streuamplituden der Quantenchromodynamik (QCD), N = 4 Super-Yang-Mills-Theorie (SYM-Theorie) und der sechsdimensionalen N = (1, 1) SYM-Theorie werden untersucht, mit einem Fokus auf die Symmetrien und Relationen zwischen den Streuamplituden dieser Eichtheorien auf dem Baum-Niveau. Die Baum-Niveau- und Ein-Schleifen-Farbzerlegung beliebiger QCD-Amplituden in primitive Amplituden wird bestimmt und Identitäten hergeleitet, welche den Nullraum unter den primitiven Amplituden aufspannen. Anschließend wird bewiesen, dass alle farbgeordneten Baum-Niveau-Amplituden der masselosen QCD aus der N = 4 SYM-Theorie erhalten werden können. Analytische Formeln für alle für die QCD relevanten N = 4 SYM-Amplituden werden bestimmt und die Effizienz und Genauigkeit der numerischen Auswertung der analytischen Formeln für farbgeordnete QCD-Baum-Niveau-Amplituden mit einer effizienten numerischen Implementierung der Berends-Giele-Rekursion verglichen. Die Symmetrien der massive Amplituden auf dem Coulomb-Zweig der N = 4 SYM-Theorie werden hergeleitet. Diese können durch eine dimensionale Reduktion der masselosen Baum-Niveau-Amplituden der sechsdimensionalen N = (1, 1) SYM-Theory erhalten werden. Darüber hinaus wird bezeigt, wie es mit Hilfe einer numerischen Implementierung der BCFW-Rekursion möglich ist analytische Formeln für die Baum-Niveau-Superamplituden der N = (1, 1) SYM-Theory zu erhalten und die Möglichkeit eines Uplifts der masselose Baum-Niveau-Amplituden der N = 4 SYM-Theory untersucht. Schließlich wird eine Alternative zur dimensionalen Regularisierung der N = 4 SYM-Theorie untersucht. Die Infrarotdivergenzen werden hierbei durch Massen regularisiert, die durch einen Higgs-Mechanismus erhalten wurden. Die korrespondierende Stringtheorie-Beschreibung deutet auf eine exakte duale konforme Symmetrie der Streuamplituden hin. Durch explizite Rechnungen wird dies bestätigt und Vorteile des Regulators werden demonstriert. / We study scattering amplitudes in quantum chromodynamics (QCD), N = 4 super Yang-Mills (SYM) theory and the six-dimensional N = (1, 1) SYM theory, focusing on the symmetries of and relations between the tree-level scattering amplitudes in these three gauge theories. We derive the tree level and one-loop color decomposition of an arbitrary QCD amplitude into primitive amplitudes. Furthermore, we derive identities spanning the null space among the primitive amplitudes. We prove that every color ordered tree amplitude of massless QCD can be obtained from gluon-gluino amplitudes of N = 4 SYM theory. Furthermore, we derive analytical formulae for all gluon-gluino amplitudes relevant for QCD. We compare the numerical efficiency and accuracy of evaluating these closed analytic formulae for color ordered QCD tree amplitudes to a numerically efficient implementation of the Berends-Giele recursion. We derive the symmetries of massive tree amplitudes on the coulomb branch of N = 4 SYM theory, which in turn can be obtained from N = (1, 1) SYM theory by dimensional reduction. Furthermore, we investigate the tree amplitudes of N = (1, 1) SYM theory and explain how analytical formulae can be obtained from a numerical implementation of the supersymmetric BCFW recursion relation and investigate a potential uplift of the massless tree amplitudes of N = 4 SYM theory. Finally we study an alternative to dimensional regularization of N = 4 SYM theory. The infrared divergences are regulated by masses obtained from a Higgs mechanism. The corresponding string theory set-up suggests that the amplitudes have an exact dual conformal symmetry. We confirm this expectation and illustrate the calculational advantages of the massive regulator by explicit calculations.

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.

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