Nonperturbative studies of quantum field theories on noncommutative spaces

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit Quantenfeldtheorien auf nicht-kommutativen Räumen. Solche Modelle treten im Zusammenhang mit der Stringtheorie und mit der Quantengravitation auf. Ihre nicht-störungstheoretische Behandlung ist üblicherweise schwierig. Hier untersuchen wir jedoch drei nicht-kommutative Quantenfeldtheorien nicht-perturbativ, indem wir die Wirkungsfunktionale in eine äquivalente Matrixformulierung übersetzen. In der Matrixdarstellung kann die jeweilige Theorie dann numerisch behandelt werden. Als erstes betrachten wir ein regularisiertes skalares Modell auf der nicht-kommutativen Ebene und untersuchen den Kontinuumslimes bei festgehaltener Nicht-Kommutativität. Dies wird auch als Doppelskalierungslimes bezeichnet. Insbesondere untersuchen wir das Verhalten der gestreiften Phase. Wir finden keinerlei Hinweise auf die Existenz dieser Phase im Doppelskalierungslimes. Im Anschluss daran betrachten wir eine vier-dimensionale U(1) Eichtheorie. Hierbei sind zwei der räumlichen Richtungen nicht-kommutativ. Wir untersuchen sowohl die Phasenstruktur als auch den Doppelskalierungslimes. Es stellt sich heraus, dass neben den Phasen starker und schwacher Kopplung eine weitere Phase existiert, die gebrochene Phase. Dann bestätigen wir die Existenz eines endlichen Doppelskalierungslimes, und damit die Renormierbarkeit der Theorie. Weiterhin untersuchen wir die Dispersionsrelation des Photons. In der Phase mit schwacher Kopplung stimmen unsere Ergebnisse mit störungstheoretischen Berechnungen überein, die eine Infrarot-Instabilität vorhersagen. Andererseits finden wir in der gebrochenen Phase die Dispersionsrelation, die einem masselosen Teilchen entspricht. Als dritte Theorie betrachten wir ein einfaches, in seiner Kontinuumsform supersymmetrisches Modell, welches auf der "Fuzzy Sphere" formuliert wird. Hier wechselwirken neutrale skalare Bosonen mit Majorana-Fermionen. Wir untersuchen die Phasenstruktur dieses Modells, wobei wir drei unterschiedliche Phasen finden.

This work deals with three quantum field theories on spaces with noncommuting position operators. Noncommutative models occur in the study of string theories and quantum gravity. They usually elude treatment beyond the perturbative level. Due to the technique of dimensional reduction, however, we are able to investigate these theories nonperturbatively. This entails translating the action functionals into a matrix language, which is suitable for numerical simulations. First we explore a scalar model on a noncommutative plane. We investigate the continuum limit at fixed noncommutativity, which is known as the double scaling limit. Here we focus especially on the fate of the striped phase, a phase peculiar to the noncommutative version of the regularized scalar model. We find no evidence for its existence in the double scaling limit. Next we examine the U(1) gauge theory on a four-dimensional spacetime, where two spatial directions are noncommutative. We examine the phase structure and find a new phase with a spontaneously broken translation symmetry. In addition we demonstrate the existence of a finite double scaling limit which confirms the renormalizability of the theory. Furthermore we investigate the dispersion relation of the photon. In the weak coupling phase our results are consistent with an infrared instability predicted by perturbation theory. If the translational symmetry is broken, however, we find a dispersion relation corresponding to a massless particle. Finally, we investigate a supersymmetric theory on the fuzzy sphere, which features scalar neutral bosons and Majorana fermions. The supersymmetry is exact in the limit of infinitely large matrices. We investigate the phase structure of the model and find three distinct phases. Summarizing, we study noncommutative field theories beyond perturbation theory. Moreover, we simulate a supersymmetric theory on the fuzzy sphere, which might provide an alternative to attempted lattice formulations.