Points de vue perturbatifs sur le diagramme de phases de la chromodynamique quantique

Perturbative perspectives on the Phase diagram of Quantum ChromoDynamics

• Auteur / Autrice : Jan Maelger
• Direction : Urko Reinosa, Julien Serreau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 10/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Physique Théorique (Palaiseau ; 1958-....)
• Jury : Président / Présidente : Christoph Kopper
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Urko Reinosa, Julien Serreau, Christoph Kopper, Jan Pawłowski, David Dudal, Monica Marcela Peláez Arzúa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jan Pawłowski, David Dudal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chromodynamique quantique

Physique des hautes énergies

Mots clés libres

Chromodynamique Quantique

Température finie

Densité finie

Confinement

Brisure de symétrie chirale

Quantum Chromodynamics

Finite Temperature

Finite Density

Confinement

Chiral symmetry breaking

Résumé

L'étude du diagramme des phases de la Chromodynamique Quantique (QCD) et des transitons associées (déconfinement et restoration de la symétrie chirale) représentent des défis majeurs de la Physique moderne et nombreuses sont les approches théoriques qui visent à en sonder les multiples facettes. Du fait de l'intensité de l'interaction forte dans les régimes d’énergie pertinents pour les transitions susmentionnées, ces approches sont en général de nature non-perturbative, la théorie des perturbations étant réputée inapplicable à ces échelles. Il est, cependant, bien établi que le point de départ de la théorie usuelle des perturbations, basée sur la procédure de fixation de jauge de Faddeev-Popov, est ambigu à ces échelles (ambiguïté de Gribov). Dans ce contexte, une approche perturbative modifiée, basée sur le Lagrangien de Curci et Ferrari, a été proposée, via l’ajout phénoménologique d'un terme de masse effectif pour le gluon en jauge de Landau. Cette approche a été testée avec succès, notamment dans sa capacité à reproduire les fonctions de corrélation de la théorie Yang-Mills (et QCD dans la limite de quarks lourds) et la thermodynamique à temperature et potentiel chimique non nuls.Dans cette thèse, nous avons testé la robustesse de ces résultats en évaluant la structure de phase de la QCD avec quarks lourds au deuxième ordre de la théorie des perturbations dans le modèle de Curci-Ferrari et en comparant nos résultats à ceux d'approches nonperturbatives. Nos résultats indiquent que, dans ce régime de quarks lourds, le diagramme de phases est contrôlée perturbativement. Nous avons égalementétendu notre étude au cas de la QCD avec quarks légers en utilisant un schéma de resommation qui exploite la présence de petits paramètres dans le régime infrarouge de la QCD. Dans le secteur des quarks, cette démarche donne lieu à la resommation des fameux diagrammes dits ''arc-en-ciel”. Ici, nous généralisons ce formalisme à temperature et densité non nulles et en presence d'un champ de fond gluonique. Nous réalisons une toute première étude qualitative des prédictions du modèle CF concernant l’existence possible d’un point critique dans le diagramme de phases de QCD sur la base d’une version simplifiée des équations générales ainsi obtenues.

Unravelling the structure of the QCD phase diagram and its many aspects such as (de)confinementand chiral symmetry breaking, is one of the big challenges of modern theoretical physics, and manyapproaches have been devised to this aim. Since perturbation theory is believed to cease feasibilityat low energy scales, these approaches treat the relevant order parameters, the quark condensate andthe Polyakov loop, non-perturbatively. However, it is also well-established that the starting point forperturbation theory, the Fadeev-Popov gauge-fixing procedure, is inherently ill-defined in the infrareddue to the presence of Gribov ambiguities. In this context, a modified perturbative approach based onthe Curci-Ferrari Lagrangian has been introduced, where a phenomenologically motivated effective gluonmass term is added to the Landau gauge-fixed action. Prior to the beginning of the thesis, this approach hasproven extremely fruitful in its descriptions of (unquenched) Yang-Mills correlation functions and thermodynamics at (non)zero temperature and density.Throughout the thesis we extend this analysis to the entire phase structure of QCD and QCD-liketheories and test the validity of the model in various regimes of interest. For instance, to further aprevious one-loop study in the regime of heavy quark masses, we have computed the two-loop quarksunset diagram in the presence of a non-trivial gluon background in a finite temperature and densitysetting. We come to the conclusion that the physics underlying center symmetry is well-described by our perturbative model with a seemingly robust weak-coupling expansion scheme. Furthermore, we study the regime of light quarks by means of a recently proposed resummation scheme which exploits the presence of actual small parameters in the Curci-Ferrari description of infrared QCD. In the quark sector, this leads to the renown rainbow equations. We extend this first-principle setup to nonzero temperature, chemical potential, and gluon background. We perform a first qualitative analysis of the prediction of the model concerning the possible existence of a critical endpoint in the QCD phase diagram by using a simplified version of these general equations.