Präzise analytische und numerische Berechnung des thermodynamischen Druckes der Quantenchromodynamik bei sehr hohen Temperaturen
Final Report Abstract
Die Theorie der Starken Wechselwirkung, Quantenchromodynamik (QCD), ist ein fundamentaler Baustein unseres Verständnisses der mikroskopischen Struktur der Materie. Ihre Lösung bereitet unterdessen immense Schwierigkeiten: Analytische Methoden greifen nur in bestimmten Grenzfällen, während zuverlässige numerische Lösungen Rechnerkapazitäten benötigen würden, die weit über den heute verfügbaren Leistungen liegen. Gleichzeitig hat die QCD weitreichende Konsequenzen. So bestimmt ihr thermodynamischer Druck die Expansionsrate des frühen Universums und spielt daher eine wichtige Rolle in der Kosmologie. In Schwerionenstoßexperimenten am CERN werden ähnliche Bedingungen experimentell untersucht. Weiterhin leiten sich viele Eigenschaften von Neutronensternen, welche eine zentrale Rolle in der Astrophysik spielen, aus der QCD ab. Methoden der effektiven Feldtheorie, mit denen analytische und numerische Zugänge in ihrem jeweiligen Geltungsbereich kombiniert werden können, haben sich für die Untersuchung des QCD-Druckes als besonders fruchtbar erwiesen. Dieses Projekt hat mit solchen Methoden das Verständnis des Druckes (und anderer interessanter thermodynamischer Eigenschaften) der heißen QCD auf ein qualitativ neues Niveau gehoben. So wurde insbesondere der berühmte "Linde-Term", d.h. der führende nichtstörungstheoretische Beitrag zum QCD-Druck bei hoher Temperatur, numerisch zum ersten Mal bestimmt. Die Konvergenz der Störungsreihe wurde auch untersucht, sowohl innerhalb des Rahmen der effektiven Feldtheorie, als auch durch Vergleiche mit Ergebnissen anderer Methoden. Ausgerüstet mit der entsprechenden Schlußfolgerung, nämlich dass auf diese Weise durchaus zuverlässige Vorhersagen für hohe Temperaturen gemacht werden können, haben wir eine Auswahl von Ergebnissen produziert, die daraufhin von anderen Gruppen in theoretischen Simulationen der Schwerionenstoßexperimente sowie der kosmologischen Expansion benutzt worden sind. In diesem Zusammenhang ist besonders die aus unseren Studien hergeleitete qualitative Aussage zu erwähnen, dass das Charm-Quark schon bei überraschend niedrigen Temperaturen eine wichtige Rolle spielt.
Publications
- "Hot QCD and warm dark matter," PoS LAT2006 (2006) 014
M. Laine
- "Quark mass thresholds in QCD thermodynamics", Phys. Rev. D 73 (2006) 085009
M. Laine and Y. Schröder
- "Renormalization of infrared contributions to the QCD pressure," PoS LAT2006 (2006) 038
C. Torrero, M. Laine, Y. Schröder, F. Di Renzo and V. Miccio
- "The leading nonperturbative coefficient in the weak-coupling expansion of hot QCD pressure," JHEP 0607 (2006) 026
F. Di Renzo, M. Laine, V. Miccio, Y. Schröder and C. Torrero
- Hypergeometric representation ofa four-loop vacuum bubble," Nucl. Phys. Proc. Suppl. 160 (2006) 155
E. Bejdakic and Y. Schröder
- "Four-loop pressure of massless 0{N) scalar field theory," JHEP 0704 (2007) 094
A. Gynther, M. Laine, Y. Schröder, C. Torrero and A. Vuorinen
- "Towards 4-loop NSPT result for a 3-dimensional condensate-contribution to hot QCD pressure," PoS LAT2007 (2007) 231
C. Torrero, M. Laine, Y. Schröder, F. Di Renzo and V. Miccio
- "What is the Criterion for a Strong First Order Electroweak Phase Transition in Singlet Models?," Phys. Rev. D 75 (2007) 083522
A. Ahriche
- Four-loop lattice-regularized vacuum energy density of the three-dimensional SU(3) -f- adjoint Higgs theory," JHEP 0809 (2008) 061
F. Di Renzo, M. Laine, Y. Schröder and C. Torrero
- "Heavy quark medium polarization at next-to-leading order," JHEP 0902 (2009) 008
Y. Burnier, M. Laine and M. Vepsäläinen
- "Multiloop Bubbles for hot QCD," Nucl. Phys. A 820 (2009) 263C
E. Bejdakic
- "Threedimensional physics and the pressure of hot QCD," Phys. Rev. D 79 (2009) 045018
A. Hietanen, K. Kajantie, M. Laine, K. Rummukainen and Y. Schröder
