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Applied String Theory, Hot and Cold: A Holographic View on Quark-Gluon Plasma and Superfluids

Samberg, Andreas Wilhelm

German Title: Angewandte String-Theorie, heiß und kalt: Eine holographische Sicht auf das Quark-Gluon-Plasma und Supraflüssigkeiten

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This thesis deals with applications of gauge/gravity duality to strong-coupling phenomena in the quark-gluon plasma and far-from-equilibrium superfluids. In a first part we search for model-independent (universal) behavior in various non-Abelian gauge-theory plasmas at finite temperature and chemical potential. We employ the holographic duals of strongly coupled N=4 supersymmetric Yang-Mills theory and three one-parameter families of non-conformal deformations thereof, two of which solve the equations of motion of a five-dimensional Einstein-Maxwell-scalar action. We study the free energy and associated thermodynamic quantities of heavy quarks and bound quark-anti-quark (QQ) pairs as well as the QQ binding energy and the running coupling. We find qualitative agreement with available lattice QCD data. Moreover, we show that several observables exhibit universal behavior for all values of the chemical potential. In a second part we investigate the real-time dynamics of a bosonic superfluid in two spatial dimensions after initial quenches that take the system to far-from-equilibrium states characterized by many topological vortex defects in association with quantum turbulence. To this end we numerically solve the full equations of motion of the holographically dual Abelian Higgs model on four-dimensional anti-de Sitter space. We observe a universal non-equilibrium late-time regime characterized by power-law behavior in a two-point correlation function and in characteristic length scales, which we interpret as a non-thermal fixed point.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit befasst sich mit Anwendungen der Eichtheorie-/Gravitations-Dualität auf stark gekoppelte Phänomene im Quark-Gluon-Plasma und in Supraflüssigkeiten fernab des Gleichgewichts. Im ersten Teil suchen wir modellunabhängiges (universelles) Verhalten in verschiedenen nicht-Abelschen Eichtheorie-Plasmen mit chemischem Potential. Dazu betrachten wir stark gekoppelte N=4 supersymmetrische Yang-Mills-Theorie und drei Klassen von nicht-konformen Deformationen dieser Theorie. Wir untersuchen die freie Energie und zugehörige thermodynamische Größen schwerer Quarks und im Falle von Quark-Antiquark-Paaren zusätzlich die Bindungsenergie. Außerdem untersuchen wir die laufende Kopplung. Wir finden qualitative Übereinstimmung mit Gitter-QCD-Daten. Zusätzlich beobachten wir universelles Verhalten mehrerer Observablen für alle Werte des chemischen Potentials. Im zweiten Teil untersuchen wir die Dynamik einer bosonischen Supraflüssigkeit in zwei Raumdimensionen nach anfänglichen "Quenches", die das System in einen Zustand fernab des Gleichgewichts versetzen, der viele Vortexdefekte und Quantenturbulenz aufweist. Dabei lösen wir die vollen Bewegungsgleichungen des holographisch dualen Abelschen Higgs-Modells im vierdimensionalen Anti-de-Sitter-Raum numerisch. Wir beobachten einen universellen Langzeitverlauf, der durch Potenzgesetz-Verhalten einer Zweipunkts-Korrelationsfunktion und charakteristischer Längenskalen ausgezeichnet ist und den wir als nichtthermischen Fixpunkt interpretieren.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Ewerz, Prof. Dr. Carlo
Date of thesis defense: 21 December 2015
Date Deposited: 28 Apr 2016 11:48
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 530 Physics
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