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Euclidean constructive quantum
field theory and classical statistical mechanics
the Sine-Gordon field theory as a model for the Yukawa gas and the neutral Coulomb gas
Doctoral Thesis Author(s):
Steinmann, Adrian Walter Publication date:
1988
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-000473190 Rights / license:
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Diss. ETH No. 8376
Euclidean
Constructive Quantum Field Theory
and
Classical Statistical Mechanics
The Sine
-Gordon Field Theory
as a
Model for the Yukawa Gas
and the
Neutral Coulomb Gas
A dissertation submittedtothe
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH
for the
degree
ofDoctorofMathematics
presented by
ADRIAN WALTER STEINMANN
dipl.
Math. ETH bornonOctober24,1958 citizen of Altishofen(LU)
accepted
ontherecommendationof Prof. Dr. KonradOsterwalder,
examiner Prof. Dr. GiovanniGallavotti,
co-examinerProf. Dr.
Jiirg Frohlich,
co-examiner1988
Abstract
ThepropertyofUltraviolet
Stability
for thetwodimensional Sine-Gordon interac¬tion
A
/
: cosa<px: dx J\infinite volumeA CIR2isstudiedas a
problem
inEuclidean ConstructiveQuantum
FieldTheory.
InClassical Statistical
Mechanics,
this model hasanatural Yukawa Gas inter¬pretation
underapplication
of the so-called Sine-GordonorSiegert
transformation.Furthermore, by applying
asecondtransformation,
the interactionmay alsorep¬resent aclassicalneutral Coulomb Gas.
Preliminary chapters
are devoted todescribing
theunderlying phenomena
in classical statistical mechanics in additiontointroducing
the mathematical tools needed insubsequent chapters. Throughout
the technicalpartof thework,
the Eu¬clidean
perspective
of ConstructiveQuantum
FieldTheory
isadopted.
Apowerful technique recently developed
tostudy
UltravioletStability
and Renormalization Groupisreviewedandapplied extensively.
It isshown that the
(trivial)
additiverenormalizationgives
rise to(non-trivial) large
fluctuationswhich are overcomeby applying
two related yetconceptually independent
methods. Theproperties
ofAsymptotic
Freedom andSuperrenormal¬
izability
of the Sine-Gordon model for alla2 G[0,87r[
followsas acorollary
of thepreliminary analysis. Thereupon
it isfurther shown that both thepositivity
of the action inthelarge fluctuating regions
aswellas their smallprobability
lead toanupperbound forUltraviolet
Stability.
Asaconsequence,theMayer
series for the pressureof theneutral CoulombgasintheThermodynamic
Limit isasymptotic
toanyorderfora2 > 8ir,whilefor a2< 8nitis shown that the
partial
sumsof the(divergent) Mayer expansion
isasymptotic
up toanorderdepending
ona2.In additionto asummaryand
outlook,
abrief review of related work ispre¬sented.
Keywords:
Asymptotic Freedom,
CosineInteraction,
CoulombGas, Mayer Expansion,
Renor¬malization
Group, Sine-Gordon, Superrenormalizability, Thermodynamic Limit,
UltravioletStability,
YukawaGasZusammenfassung
Das Problem der Ultravioletten Stabilitat wird im Rahmen der Konstruktiven Euklidischen
Quantenfeldtheorie
am Sinus-GordonModellA
/
:cosaifx: dx Jhin zwei Dimensionen undimendlichenVolumen ACIR2studiert.
Unter
Anwendung
der Sinus-Gordon oderSiegert Transformation,
kann man dieses Modell als ein GasvonYukawa in der klassischen statistischen Mechanikinterpretieren.
Das Modell kann aber auch ein klassisches neutrales Coulomb Gasdarstellen,
indemmaneine zweite Transformation anwendet.Dieersten
Kapitel
beschreiben diephysikalischen
Phanomene dieausder Sicht der klassischen statistischen Mechanikerwartetwerden. In diesenKapiteln
wer- den auch die mathematischen Hilfsmitteleingefiihrt,
alsVorbereitung
auf ihreAnwendung
indennachfolgenden Kapiteln,
wodertechnische Teil derArbeitunter demGesichtspunkt
derEuklidischenQuantenfeldtheorie ausgefuhrt
wird. Insbe-sondere wird eineneu
entwickelte, anwendungskraftige
TechnikzumStudierenderRenormierungsgruppe
undderUltraviolettenStabilitateingehend
beschrieben undweitlaufig angewendet.
Es wird
gezeigt
wie die(triviale)
additive Renormierung zu einem Problem(nicht-trivialer)
grosserFluktuationenfiihrt. UnterAnwendung
zweierzwarahn- lichenjedoch konzeptionell unabhangigen
Methoden werden dann hierfur zwei verschiedeneLosungen
erzielt. DieEigenschaften
derAsymptotischen
Freiheit und derSuper-Renormierbarkeit
des Sinus-Gordon Modells werdenfuraiieWerte o? e[0, 8tt[
bewiesen. Insbesondere wirdgezeigt,
wie sowohl die PositivitatderWirkung
imGebietdergrossenFluktuationensowieauch deren kleine Wahrschein- lichkeit genugen,umdie Ultraviolette Stabilitat zubeweisen. Danachfolgen
Ko- rollare uber denThermodynamischen
Limes derMayer-Entwicklung
fiir den Druck desneutralen Coulomb Gases. Fiir Werteo?>8irist dieseEntwicklung
zurbe-liebigen Ordnung asymptotisch,
andererseitszeigt sich,
dassfiir Werte a2 < 8ftnur die Partialsummen bis zu einer a2 -
abhangigen Ordnung
der(divergenten) Entwicklung asymptotisch
zumDruck sind.Inder
Einfuhrung
wirdfiber andereWerkekurz berichtet undzumAbschluss sind dieHauptzuge
derBeweisfuhrung
imHinblick aufweitere Problemezudiesem Themazusammengefasst.
Stichworte:
Asymptotische Freiheit,
CoulombGas, Kosinus-Wechselwirkung, Mayer-Entwick-
lung, Renormierungsgruppe, Sinus-Gordon, Super-Renormierbarkeit, Thermody-
namischer Limes, UltravioletteStabilitat,
Yukawa GasRiassunto
II
problema
della Stabilita Ultraviolettaestudiatonell'ambito della Teoria Euclidea Costruttiva deiCampi Quantistici
sul modello Seno-GordonA
/
:cosa^,: dx J\inunvolume A CIR2 finito di dimensionedue.
Nella Meccanica Statistica
Classica,
questomodello haun'interpretazione
natu- ralecome ungasdiYukawasottolatrasformazione diSeno-Gordon,
anchechiamata latrasformazione diSiegert. Inoltre,
viaunasecondatrasformazione,
l'interazione descrive ancheunGasdi Coulomb classicocon caricacomplessiva
zero.I
capitoli preliminari
descrivono il fenomeno fisicoprevisto
dalla meccanicasta¬tistica classicae introducono anche i metodi matematici che verranno
applicati
nei
capitoli seguenti.
Tutta laparte tecnica del lavoro vieneeseguita
nell'ambito dellateoriaeuclidea deicampi,
inparticolare
si introduceun metodo molto po- tentesviluppato
recentemente perstudiare laStabilitaUltravioletta ed ilGruppo
di Rinormalizzazione.
Si dimostra che la rinormalizzazione additiva
(banale)
daluogo
afluttuazionigrandi (non-banali)
chepossono essere controllate tramite due metodi similimaconcettualmente
indipendenti.
Leproprieta
diLibertaAsintoticaediSuper-rinor-
malizzabilita del modello Seno-Gordonper tutti i valori a2[0,87r[
seguecome corollario dalla nostra analisi. Si dimostra anche che sia lapositivita
nelle re-gioni
dellegrandi
fluttuazioni sia la loroprobabilita piccola
portanoadunastimasuperiore
perla Stabilita Ultravioletta. Comeconseguenza, nel Limite Termodi-namico,
laserie diMayer
perlapressione
delgas diCoulombneutroe asintotica adogni
ordinepera2 >8w,
mentre pera2< 8nsidimostrache lesommeparziali dell'espansione
diMayer
sonoasintotichefino adunordine chedipende
daa2.Oltre adundiscorso sulle
prospettive,
unriassunto breve di altri lavorisuquesto temaepresentato.Parole Chiave: