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Universality classes far from equilibrium: From heavy-ion collisions to superfluid Bose systems

Boguslavski, Kirill

German Title: Universalitätsklassen fern des Gleichgewichts: Von Schwerionenkollisionen bis zu superfluiden bosonischen Systemen

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Abstract

Quantum many-body systems far from equilibrium can approach a nonthermal fixed point during their real-time evolution. One example is scalar field theory, which occurs in models of cosmological inflation, and similar examples are found for non-Abelian plasmas relevant for heavy-ion collisions and for ultracold Bose gases. Investigating nonthermal fixed points of different microscopic theories, we present two novel universality classes that provide links between these systems.

One of them involves nonrelativistic, N-component relativistic and expanding scalar systems. It occurs in the deep infrared regime of very high occupancies and is governed by a self-similar evolution. Its nonequilibrium dynamics leads to the formation of a Bose-Einstein condensate. The scaling properties of this region can be described by a vertex-resummed kinetic theory that is based on a systematic large-N expansion at next-to-leading order.

The other novel universality class encompasses scalar field theories and non-Abelian plasmas in a longitudinally expanding background and corresponds to an early dynamical stage of heavy-ion collisions in the high-energy limit. We show that these systems share the same self-similar scaling properties for a wide range of momenta in a limit where particles are weakly coupled but their occupancy is high.

Both universality classes are found in separate momentum regions in a longitudinally expanding N-component scalar field theory. We argue that the important role of the infrared dynamics ensures that key features of our results for scalar and gauge theories cannot be reproduced consistently in conventional kinetic theory frameworks. Moreover, the observed universality connects different physics disciplines from heavy-ion collisions to ultracold atoms, making a remarkable link between the world's hottest and coldest matter.

Translation of abstract (German)

Quantenvielteilchensysteme fern des Gleichgewichts können sich während ihrer Realzeitentwicklung einem nichtthermischen Fixpunkt nähern. Ein Beispiel dafür ist die skalare Feldtheorie, die in Modellen zur kosmologischen Inflation auftritt, und ähnliche Beispiele werden für Schwerionenkollisionen-relevante nicht-Abelsche Plasmen und ultrakalte Bosegase gefunden. Wir untersuchen nichtthermische Fixpunkte verschiedener mikroskopischer Theorien und stellen zwei neue Universalitätsklassen vor, die Verbindungen zwischen den verschiedenen Systemen herstellen.

Eine von ihnen beinhaltet nichtrelativistische, N-komponentige relativistische und sogar expandierende skalare Systeme. Sie befindet sich im tiefen Infrarotbereich mit sehr hohen Besetzungszahlen und folgt einer selbstähnlichen Zeitentwicklung. Ihre Nichtgleichgewichtsdynamik führt zur Entstehung eines Bose-Einstein-Kondensats. Die Skalierungseigenschaften dieses Bereichs lassen sich mit einer Vertex-resummierten kinetischen Theorie beschreiben, die auf einer systematischen groß-N Entwicklung zu nächstführender Ordnung basiert.

Die andere neue Universalitätsklasse umfasst skalare Systeme und nicht-Abelsche Plasmen in einem longitudinal expandierenden Hintergrund und entspricht einem frühen Stadium der Dynamik von Schwerionenkollisionen im Hochenergielimes. Wir zeigen, dass diese Systeme in einem weiten Impulsbereich dieselben selbstähnlichen Skalierungseigenschaften haben, wenn sie schwach gekoppelt aber hoch besetzt sind.

Beide Universalitätsklassen werden in separaten Impulsbereichen einer N-komponentigen longitudinal expandierenden skalaren Feldtheorie gefunden. Wir argumentieren, dass durch die wichtige Rolle des Infrarotbereichs wesentliche Merkmale unserer Resultate für skalare und Eichtheorien nicht konsistent innerhalb einer herkömmlichen kinetischen Theorie wiedergegeben werden können. Außerdem verbindet die beobachtete Universalität verschiedene Disziplinen der Physik miteinander, von Schwerionenkollisionen bis zu ultrakalten Quantengasen, und erstellt damit eine bemerkenswerte Verbindung zwischen der heißesten und der kältesten Materie der Welt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Berges, Prof. Dr. Jürgen
Date of thesis defense: 27 July 2016
Date Deposited: 24 Aug 2016 09:49
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute for Theoretical Physics
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
530 Physics
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