Advanced

Nonequilibrium gauge field in Two Particle Irreducible real time formalism

Hansen, Rasmus LU (2019) FYTM04 20181
Department of Astronomy and Theoretical Physics
Theoretical Particle Physics
Abstract
The purpose of this thesis is to study what effect a photon field has on the equations of motion and the decay of a charged scalar field in thermal equilibrium at finite temperature and outside of thermal equilibrium. To do this we calculate the two-particle irreducible effective action for the mean fields and propagators and derive their equations of motion. The functional representations of up to two loop diagrams and their contributions to the self energies of the scalar, photon and mixed propagators and the scalar and photon mean fields have been calculated. We have calculated the one loop correction to the thermal masses of the scalar and photon field and the decay width of the scalar field from these diagrams. The one loop diagram... (More)
The purpose of this thesis is to study what effect a photon field has on the equations of motion and the decay of a charged scalar field in thermal equilibrium at finite temperature and outside of thermal equilibrium. To do this we calculate the two-particle irreducible effective action for the mean fields and propagators and derive their equations of motion. The functional representations of up to two loop diagrams and their contributions to the self energies of the scalar, photon and mixed propagators and the scalar and photon mean fields have been calculated. We have calculated the one loop correction to the thermal masses of the scalar and photon field and the decay width of the scalar field from these diagrams. The one loop diagram contributing to the decay width is dependent on the internal loop momentum and thus provides an interesting energy and temperature dependence in the width that we have not found in the literature prior to this work. Parallels to semiconductor physics and the dispersion relation of incident light into a semiconductor are drawn to the decay of the scalar field and the energy and temperature dependence of the decay. The temperature dependent contribution to the width could potentially have a great importance in the early universe and the study of the evolution of mean fields when the temperature was high. It could be important for several events that occurred in the early universe, such as phase transitions and entropy generation. We solve the equations of motion numerically using Mathematica and present some plots of the decay for various initial conditions. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Hur allting började och stora ting har alltid fascinerat människor, och hur mycket större och "i början" blir det än i kosmologi, läran om universums födelse och utveckling? När universum var bara några minuter gammalt var det minst sagt ohyggligt varmt (miljoner grader!). Vi har hyfsad koll på vad som hände vid olika tidpunkter efter de första sekunderna, efter 3 minuter bildades det väte och helium som utgör i princip all synlig materia i dagens universum och 380 000 år efter Big Bang blev universum genomskinligt, men ju längre bak man går desto osäkrare blir det. Vi vet väldigt lite av vad som skedde den första bråkdelen av en sekund, dels för att det var så varmt att inte ens våra bästa teorier kan beskriva situationen särskilt väl men... (More)
Hur allting började och stora ting har alltid fascinerat människor, och hur mycket större och "i början" blir det än i kosmologi, läran om universums födelse och utveckling? När universum var bara några minuter gammalt var det minst sagt ohyggligt varmt (miljoner grader!). Vi har hyfsad koll på vad som hände vid olika tidpunkter efter de första sekunderna, efter 3 minuter bildades det väte och helium som utgör i princip all synlig materia i dagens universum och 380 000 år efter Big Bang blev universum genomskinligt, men ju längre bak man går desto osäkrare blir det. Vi vet väldigt lite av vad som skedde den första bråkdelen av en sekund, dels för att det var så varmt att inte ens våra bästa teorier kan beskriva situationen särskilt väl men också för att de flesta spår av vad som hände som vi skulle kunna upptäcka har blivit utsuddade av alla senare händelser och utspädda av universums expansion. Lägg till att det kan i det tidiga universum skett fasövergångar (fysiker gillar när saker sker jämnt och långsamt, en fasövergång, som när vatten kokar, innebär en stor förändring över en kort tid) som kan ha lämnat universum utanför jämvikt och blir man imponerad av att vi vet något över huvudtaget. Vi vet dessutom att universum någon gång i sin barndom har varit långt från termisk jämvikt, annars kan vi inte förklara den stora mängden entropi som observeras, men vad som orsakat det vet vi inte.

Ett sätt att tackla detta är att studera genomsnittliga effekter istället för varje enskild partikel och se det som en gas, man märker ju inte varje luftmolekyls hastighet eller position, bara gasens temperatur, tryck och volym. I detta arbete försöker vi utvidga en sådan modell till att också kunna involvera fotoner, ljuspartiklar, och studera hur de påverkar andra sorters partiklar. Denna utvidgning skulle kunna ha betydelse för våra modeller av utvecklingen av det tidiga universum eftersom fotoner utgjorde en större andel av den totala energin, så att kunna modellera fotoner är ett nödvändigt steg mot att förstå universums barndom. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Hansen, Rasmus LU
supervisor
organization
course
FYTM04 20181
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Gauge field, non-equilibrium, quantum field theory
language
English
id
8964663
date added to LUP
2019-01-07 14:25:31
date last changed
2019-01-07 14:25:31
@misc{8964663,
  abstract     = {The purpose of this thesis is to study what effect a photon field has on the equations of motion and the decay of a charged scalar field in thermal equilibrium at finite temperature and outside of thermal equilibrium. To do this we calculate the two-particle irreducible effective action for the mean fields and propagators and derive their equations of motion. The functional representations of up to two loop diagrams and their contributions to the self energies of the scalar, photon and mixed propagators and the scalar and photon mean fields have been calculated. We have calculated the one loop correction to the thermal masses of the scalar and photon field and the decay width of the scalar field from these diagrams. The one loop diagram contributing to the decay width is dependent on the internal loop momentum and thus provides an interesting energy and temperature dependence in the width that we have not found in the literature prior to this work. Parallels to semiconductor physics and the dispersion relation of incident light into a semiconductor are drawn to the decay of the scalar field and the energy and temperature dependence of the decay. The temperature dependent contribution to the width could potentially have a great importance in the early universe and the study of the evolution of mean fields when the temperature was high. It could be important for several events that occurred in the early universe, such as phase transitions and entropy generation. We solve the equations of motion numerically using Mathematica and present some plots of the decay for various initial conditions.},
  author       = {Hansen, Rasmus},
  keyword      = {Gauge field,non-equilibrium,quantum field theory},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Nonequilibrium gauge field in Two Particle Irreducible real time formalism},
  year         = {2019},
}