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Lattice theory of nonequilibrium fermion production

Gelfand, Daniil

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Abstract

In dieser Arbeit untersuchen wir die Erzeugung fermionischer Teilchen außerhalb des Gleichgewichts mittels moderner Gittermethoden. Die vorgestellten Anwendungen reichen vom Preheating nach der kosmologischen Inflation im frühen Universum über Prä- Thermalisierungsdynamik in Schwerionenkollisionen bis hin zur Paarerzeugung und Stringbrechung in einem niedrigdimensionalen Modell der Quantenchromodynamik. In Instabilitäten aufweisenden skalaren Modellen beobachten wir eine stark erhöhte Fermionproduktion in Anwesenheit bosonischer Ü berbesetzung. Als mögliche Szenarien fürs Preheating nach der Inflation untersuchen wir parametriche Resonanz und tachyonische Instabilität. Wir finden, dass sowohl die qualitativen als auch die quantitativen Eigenschaften der resultierenden Fermionverteilung weitgehend von einem effektiven Kopplungsparameter bestimmt werden. Um Fermionen in drei räumlichen Dimensionen simulieren zu können, wenden wir einen effzienten, stochastischen Gitter-Algorithmus an, welchen wir durch einen Vergleich mit exacten Gitterrechnungen und mit auf einer Kopplungsentwicklung basierten funktionalen Methode verifizieren. Im massiven Schwinger-Modell analysieren wir die Erzeugung von Fermion/Antifermion Paaren durch homogene und inhomogene elektrische Felder und beobachten den Aufbau von Strings zwischen den Ladungen. Nachfolgend studieren wir die Dynamik der Stringbrechung und beschreiben einen Zwei-Phasen-Prozess, welcher aus der anfänglichen Teilchenproduktion sowie der folgenden Ladungsseparation und Abschirmung besteht. In Quantenchromodynamik liegt unser Fokus auf den Eigenschaften des Quarksektors während der turbulenten bosonischen Energiekaskade sowie auf der Isotropisierung der Quarks und Gluonen, ausgehend von unterschiedlichen Anfangsbedngungen.

Translation of abstract (English)

In this thesis we investigate non-equilibrium production of fermionic particles using modern lattice techniques. The presented applications range from preheating after inflation in the early Universe cosmology to pre-thermalization dynamics in heavy-ion collisions as well as pair production and string breaking in a lower-dimensional model of quantum chromodynamics. Strong enhancement of fermion production in the presence of overoccupied bosons is observed in scalar models undergoing instabilities. Both parametric resonance and tachyonic instability are considered as scenarios for preheating after inflation. The qualitative and quantitative features of the resulting fermion distribution are found to depend largely on an effective coupling parameter. In order to simulate fermions in three spatial dimensions we apply a stochastic low-cost lattice algorithm, which we verify by comparison with an exact lattice approach and with a functional method based on a coupling expansion. In the massive Schwinger model, we analyse the creation of fermion/anti-fermion pairs from homogeneous and inhomogeneous electric fields and observe string formation between charges. As a follow-up we study the dynamics of string breaking and establish a two-stage process, consisting of the initial particle production followed by subsequent charge separation and screening. In quantum chromodynamics, our focus lies on the properties of the quark sector during turbulent bosonic energy cascade as well as on the isotropization of quarks and gluons starting from different initial conditions.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Berges, Prof. Dr. Jürgen
Date of thesis defense: 22 July 2014
Date Deposited: 07 Aug 2014 06:39
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
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