Glueballs and gauge/gravity duality : unraveling the mysteries of the (strong) force

Abstract

Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Berechnung der Zerfallsraten von Glueballs, ein in der Quantenchromodynamik (QCD) schwieriges und ungelöstes Problem. Mittel zum Zweck ist die Dualität zwischen Eich- und Gravitationstheorien. Das Problem der starken Kopplung bei niedrigen Energien wird umgangen, indem die stark gekoppelte Eichtheorie auf eine schwach gekoppelte Supergravitationstheorie abgebildet wird. Verwendet wird dabei das Witten-Sakai-Sugimoto-Modell, eine auf der Typ-IIA Stringtheorie basierende Realisierung der Dualität. Diese Methode ermöglicht die Untersuchung der Wechselwirkungen von Glueballs und Mesonen in einer Theorie, welche der QCD ähnelt. So erhalten wir viele nicht triviale Ergebnisse für die Zerfallskanäle unterschiedlicher Glueballzustände. Der leichteste Glueball wird besonders im Hinblick auf die Auswirkung endlicher Quarkmassen auf die Zerfallsraten untersucht. Die gewonnenen Ergebnisse sind konsistent mit experimentellen Daten für den isoskalaren Zustand f0(1710). Der ungemischte pseudoskalare Glueball besitzt sehr spezifische Zerfallsmuster: jede mögliche Kombinationvon Zerfallsprodukten enthält mindestens ein η- oder η ′ -Meson. Die Masse des Tensorglueballs ist laut Modellvorhersage deutlich kleiner, als die Prognose der Gittereichtheorie. Erhöht man die Masse jedoch auf Werte, die mit der Gittereichtheorie kompatibel sind,so finden wir, dass der Zustand besonders instabil ist. Ebenso ergibt sich, dass auch der Pseudovektorglueball ein sehr instabiler Zustand ist.

The aim of this work is the computation of decay rates of glueballs, a hard and unsolved problem in quantum chromodynamics. Our method of choice is the framework of gauge/gravity duality. The problem of strong coupling at low energies is circumvented by mapping strongly coupled gauge theory to weakly coupled supergravity. We make use of the Witten-Sakai-Sugimoto model, a specific realization of gauge/gravity duality based on type-IIA string theory. It allows us to study the interactions of glueballs and mesons for a theory similar to QCD. As a consequence, we obtain many nontrivial results for the decay channels of various glueball states. The lightest scalar glueball is studied with a particular emphasis on the effects of finite quark mass on the decay rates. Our results are found to be consistent with experimental data for the f0(1710) isoscalar state. The unmixed pseudoscalar glueball is shown to possess very specific decay patterns: every possible combination of decay products will always include at least one η or η′ meson.The tensor glueball, whose mass comes out much smaller than predicted by lattice gauge theory, is shown to be a broad state when its mass is extrapolated values compatible with lattice results. Finally, the pseudovector glueball also turns out to be very broad.