Semiholographic thermalization in strongly coupled Nonabelian Gauge theories

Abstract

Semiholographie ist eine theoretische Methode zur konsistenten, effektiven Beschreibung von physikalischen Systemen, die sowohl schwach wechselwirkende als auch stark wechselwirkende Freiheitsgrade aufweisen, wobei letztere mittels der Dualität von Eichtheorien und Gravitationstheorien (Holographie) modelliert werden. Diese Arbeit behandelt Semiholographie im Kontext stark gekoppelter Plasmen in Nichtgleichgewichtszuständen, die insbesondere durch die Nichtgleichgewichtsentwicklung des Quark-Gluon-Plasmas (QGP) motiviert sind. Zur Beschreibung des QGP verwendet man ein Model bestehend aus zwei Sektoren: einen schwach wechselwirkenden Sektor, der “harte” Partonen beschreibt, und einen stark wechselwirkenden, “weichen” holographischen Sektor, welcher das weiche Bad der von den harten Partonen ausgestrahlten Gluonen darstellt. Die Kopplung der beiden Sektoren erfolgt über eichinvariante Operatoren. Nach einer kurzen theoretischen Einführung beschreibe ich den semiholographischen Ansatz im Allgemeinen und verwende anschauliche Beispiele, wobei ich mich insbesondere auf die phänomenologische Konstruktion konzentriere. Ein Schlüsselelement ist, dass die semiholographische Konstruktion einen lokal erhaltenen Gesamt-Energie-Impuls-Tensor aufweist. Nach der allgemeinen Einführung diskutiere ich ein hybrides Zweiflüssigkeitsmodell, das über effektive Metriken gekoppelt ist. Die Kopplung wird durch die jeweiligen Energie-Impuls-Tensoren vorgegeben. Ich untersuche die Konsequenzen einer solchen Kopplung im und in der Nähe des thermischen Gleichgewichts, indem ich die komplexe Phasenstruktur und die kollektiven Moden des Systems untersuche. Im Anschluss an diese Diskussion beschreibe ich ein semiholographisches “Spielzeugmodell” für die Thermalisierung des QGP in 2 + 1 Dimensionen. Das Modell besteht aus einem klassischen Yang-Mills-Sektor, der die hochbesetzten Gluon-Moden nahe der Sättigungsskala beschreibt, gekoppelt mit einem stark wechselwirkenden holographischen Sektor, der die weichen Freiheitsgrade darstellt. Das Spielzeugmodell dient als “proof of concept” der Berechnungsmethode und demonstriert zum ersten Mal die Übertragung von Energie aus dem Yang- Mills-Sektor am Rand zu einem wachsenden Schwarzen Loch im Anti-De-Sitter-Raum, unter der Berücksichtigung von Rückkopplung. Abschließend diskutiere ich ein semiholographisches Modell von eingeschlossenen Verunreinigungen in

Semiholography is a theoretical framework, set up to provide a consistent effective description of the physical systems involving both weakly coupled and strongly coupled degrees of freedom, where the latter are modelled by gauge/gravity duality, also known as holography. In this thesis, we explore this framework in the context of strongly coupled plasmas in non-equilibrium settings, motivated in particular by the non-equilibrium evolution of the Quark Gluon Plasma. In the context of QGP, the model couples a weakly-coupled sector, describing hard partons, with a strongly-coupled soft holographic sector, representing the soft bath of gluons radiated by the hard partons, via gauge-invariant operators. Following a brief theoretical introduction, I will describe the semiholographic approach in general and using illustrative examples, focussing in particular on the phenomenological construction. A key element is that the semiholographic construction has a locally conserved total energy-momentum tensor. After the general introduction, I discuss a hybrid two-fluid model coupled via their effective metrics. This coupling is dictated by the respective energy-momentum tensors. I explore the consequences of such a coupling in and near thermal equilibrium by investigating the rich phase structure and the collective modes. Following this discussion, I will describe a semiholographic toy model for QGP thermalization in 2 + 1 dimensions. This involves a classical Yang-Mills sector, describing the overoccupied gluon modes at the saturation scale, coupled to a strongly interacting holographic sector, representing the soft degrees of freedom. The toy model represents a proof of principle calculation, demonstrating for the first time the transfer of energy from the Yang-Mills sector at the boundary to a growing black hole in bulk anti-de Sitter (AdS) space including backreaction. Finally, I will discuss a semiholographic model of trapped impurities in