Large N Reduction for Gauge Theories on 3-sphere

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1 JHEP0611(2006)089 PRD78(2008) PRL102(2009) JHEP0909(2009) 029 JHEP1111 (2011) 036 JHEP1302 (2013) 148 arxiv: Pos LATTICE2010, 253 Pos LATTICE2011, 244 伊敷吾郎 ( 京大基研 ) 以下の論文に基づく Ishiki-Shimasaki-Takayama-Tsuchiya Ishii-Ishiki-Shimasaki-Tsuchiya Ishiki-Kim-Nishimura-Tsuchiya Ishiki-Kim-Nishimura-Tsuchiya Ishiki-Shimasaki-Tsuchiya Asano-Ishiki-Okada-Shimasaki Honda-Ishiki-Kim-Nishimura-Tsuchiya Honda-Ishiki-Kim-Nishimura-Tsuchiya Honda-Ishiki-Nishimura-Tsuchiya 定式化 定式化のチェック 数値計算 共同研究者 石井氏 (Crete 大 ), 島崎氏 ( 京大理 ), 土屋氏 ( 静岡大 ), 西村氏 (KEK, 総研大 ), Kim 氏 (KIAS) 本多氏 (KEK, 京大基研 ), 浅野氏 ( 京大理 ), 岡田氏 ( 京大基研 ), 高山氏 ( 元 Bohr 研 ), 太田氏 ( 明治学院大 )

2 4 次元の maximal susy のゲージ理論 超共形対称性 PSU(2,2 4), SUSY AdS/CFT 対応 N=4 SYM 予想 AdS 5 S 5 上の IIB 型超弦理論 ラージ N, 強結合の N=4 SYM AdS 5 S 5 上の IIB 型超重力理論 N=4 SYM の強結合領域を解析する方法 特別なセクターに注目する (BPS, BMN 極限, 可積分系, etc) 数値計算 今日の話

3 1. Planar N=4 SYMの非摂動的な定式化 2. 定式化のチェック 3. N=4 SYMの数値計算 4. まとめと展望

4

5 UV finite な理論なので SUSY は連続極限で回復する Fine-tuning 不要 格子正則化 [Kado-san s talk, Catterall-Wiseman] 運動量カットオフによる正則化 [Anagnostopoulos-Hanada-Nishimura-Takeuchi] 1 次元以下の SUSY 理論は 数値計算ができる

6 [ 他の方法 Hanada-Matsuura-Sugino, Kawamoto-san s talk] アイデア : 1d 以下の SYM のラージ N 極限として 4d SYM を記述する ラージ N リダクション R d 上の YM 理論は ラージ N 極限において その次元簡約で得られる行列模型と等価である YM on R d [Eguchi-Kawai, Okawa-san s talk] 行列模型 しかしflatな時空の上で考えると U(1) D 対称性の破れによって 連続極限が取れない場合がある これを改良するためにquench, twist 等の処方があるが SUSYは破ってしまう [Bhanot-Heller-Nouberger, Gross-Kitazawa, Gonzalez-Arroyo-Okawa] 曲がった空間の上で考える

7 N=4 SYM は超共形対称性のおかげで R 4 上の理論と R S 3 上の理論は等価 (radial quantization) R S 3 上の N=4 SYM S 3 方向を次元簡約 Plane wave 行列模型 (PWMM) (BFSS 行列模型の mass deformation) ラージ N リダクションを通して PWMM を用いて N=4 SYM が記述できる quench, twist 等の操作は必要なく 16 SUSY (SU(2 4)) の対称性が保たれる N=4 SYM のラージ N 極限しか記述できない

8 R S 3 上の N=4 SYM 局所的には S 3 ~ S 1 S 2 S 1 方向の次元簡約 R S 2 上の SYM (1) ラージ N リダクションの非自明な S 1 束への拡張 (S 1 を再現 ) S 2 方向の次元簡約 (2) 非可換球面の可換極限 (S 2 を再現 ) Plane wave 行列模型 (1) と (2) を組み合わせることにより S 3 上の理論が行列模型から実現される

9 R S 3 上の N=4 SYM S 3 ~ S 1 S 2 R S 2 上の N=8 SYM (1) ラージ N リダクション (S 1 を再現 ) PWMM (2) 非可換球面の可換極限 (S 2 を再現 ) を 0 に置くと BFSS 行列模型と同じ

10 [Eguchi-Kawai, Parisi, Gross-Kitazawa] 例 : R 上の 理論 Reduction N 個 は一様に分布 次の極限で reduced model は元の理論の planar 極限を再現する

11 j i k planar 場の理論を再現 Non-planar は場の理論には対応しないが planar と比べて で無視できる 運動量を運べない

12 ポイント : [P, ] は連続的な運動量 ( 微分 ) と見なせる S 1 上のラージ N リダクション 固有値は離散的 S 1 上の運動量を再現 Non-planar の寄与を落とすために必要 は S 1 上の理論の planar 極限を再現する

13 R S 2 上の SYM には がモノポール解として存在 古典解 Dirac monopole on on このモノポール解周りの R S 2 上の SYM 理論 R S 3 上の N=4 SYM 理論 Large N reduction

14 行列模型 正方形行列 非可換球面の可換極限 S 2 上の場の理論 球面上の場 (global な関数 ) 長方形行列 モノポール背景中の場 (local section) Fuzzy spherical harmonics Monopole spherical harmonics

15 U(1) monopole 背景中の場の基底 角運動量に下限 はモノポールが原点にある場合の角運動量演算子 Patch によって形が異なる

16 [Grosse et al, Baez et al, Dasgupta et al] 下限 UV Cutoff 長方形行列の基底

17 この極限で 磁荷 q の monopole harmonics に map できる スペクトル : : 関数同士の積 ( 環 ) の構造 =

18 非可換球面解で可約表現のものを考える 長方形 は固定 この解周りの PWMM は可換極限で磁荷 周りの R S 2 上の SYM と等価である を持ったモノポール解の

19 連続極限 (S 2 ) (S 1 ) (planar) この古典解周りの行列模型は R S 3 上の N=4 SYM の planar 極限を再現する [Ishii-Ishiki-Shimasaki-Tsuchiya]

20 次元簡約 R S 3 上の SYM Planar 極限 ( モノポール解周りの ) R S 2 上の SYM 次元簡約 Plane wave 行列模型 ラージ N リダクション 非可換球面の構成 14d Planar N=4 SYM = PWMM のある真空周りの理論のラージ N 極限 2PWMM は数値計算可能 3Planar N=4 SYM も数値計算可能 massive な理論であり quench 等が必要ない 従って PWMM の持つ対称性ゲージ対称性 SU(2 4) 対称性 (16 susy) を全て保つことが出来る Instanton はラージ N で無視できる

21 1-loop 計算 摂動の all order ( 局所化 ) 有限温度での自由エネルギーベータ関数 Wilson loop

22 有限温度での AdS/CFT [Witten] N=4 SYM (planar limit, 強結合 ) Type IIB SUGRA Deconfinement transition Hawking-Page transition 弱結合 (1-loop 近似 ) における R S 3 上の N=4 SYM のラージ N 相転移 [Sundborg, Aharony-Marsano-Minwalla- Papadodimas-Raamsdonk]

23 [cf. Kawahara-Nishimura-Yoshida] PWMM において N=4 SYM を実現する古典解の周りで展開 S 1 方向のゲージ場が対角的で 定数のゲージをとる Moduli (holonomy) ゲージ場の moduli 以外を 1-loop 近似で積分する 1-loop 有効作用 の積分をモンテカルロ法を用いて数値的に行った

24 [Ishiki-Kim-Nishimura-Tsuchiya] 自由エネルギー 臨界温度は解析的に導くことができ SYM の臨界温度と完全に一致する 高温極限での T 4 の振る舞いも再現することができる [Kitazawa-Matsumoto]

25 [Ishiki-Shimasaki-Tsuchiya] N=4 SYM は共形場理論 ベータ関数 =0 PWMM から出発して これを示せるか? 1 理論を対応する真空周りで展開 2ゲージ固定 3 調和展開 4 各モードについてファインマン則を作って計算

26 Log 発散 二次発散 ( すべての図を足すとキャンセル ) 同様の計算により が分かる

27 PWMM を用いた定式化から出発して再現できるか? [Erickson-Semenoff-Zarembo, Drukker-Gross, Pestun]

28 cf. 非可換平面上のウィルソンループ [Ishibashi-Iso-Kawai-Kitazawa] 連続極限でS 3 上のウィルソンループ演算子に帰着するような行列模型の演算子が構成できる [Ishii-Ishiki-Shimasaki-Ohta-Tsuchiya] 連続極限 : S 3 上の right-invariant 1-form

29 [Ishiki-Shimasaki-Tsuchiya] では ラダー近似で計算した [cf. Erickson-Semenoff-Zarembo] 等 vertex の入ったものは無視 Planar 極限 [Asano-Ishiki-Okada-Shimasaki] では 局所化を用いてこれが厳密な結果であることを示した

30

31 PWMM の non-lattice simulation 1.Euclidean 時間方向に IR cutoff ( 逆温度 ) を導入 2. ゲージ場 (static diagonal gauge) 他の場 は定数 3. と各フーリエモードについて RHMC を行う UV cutoff 初期配位として N=4 SYM に対応する配位を取って その周りで揺らがせる cutoff の外挿

32 1 2 Instanton 振幅 自由度 = (N 2-1) (2Λ+1) = 875 ~ 4 4 格子のSU(2) ゲージ理論 大きな行列サイズを取れなかったので他の真空に移ってしまう可能性がある の固有値 二次のカシミア ( 古典的には )

33 Chiral primary 演算子 : SO(6) scalar : traceless sym tensor 共形不変性から期待値の形は決まる 2 点関数 : 演算子の共形次元 3 点関数

34 (2 点関数の係数 ) は coupling に依らない ( 非繰り込み定理 ) (Near) extremal な多点関数に対しても 非繰り込み定理は示されている [Eden-Howe-Sokatchev-West] や その多点関数版は SUGRA から計算できる [GKP, Witten] ( 例 ) SUGRA SYM, N, λ 0 一般の規格化された 3 点関数に対する 弱い形の非繰り込み定理 SUGRA 一般の規格化された 4 点関数は繰り込みを受ける このような性質が数値計算から理解できるか?

35 ( 例 ) 2 点関数の場合 R 4 R S 3 への mapping ( 共形変換 ) S 3 上で積分 ( 例 ) の場合 Large N reduction さらにこれをフーリエ変換して運動量空間の相関関数を数値計算

36 Free な場合には 解析的な計算から SYM の結果を再現できる 連続極限

37 N=4 SYM では ( 非繰り込み定理 ) 我々の結果 の値 連続極限では 1 に近づくか? [Honda-Ishiki-Kim-Nishimura-Tsuchiya]

38 N=4 SYM では ( 非繰り込み定理 ) 我々の結果 弱い形の非繰り込み定理は成り立っているように見える

39 規格化された 4 点は最大 30% 程度繰り込まれる ずれのオーダーは重力側と一致する 運動量依存性は一致しない

40 [Honda-Ishiki-Kim-Nishimura-Tsuchiya] [Honda s talk at Lattice20111] 1 2 無限大へ外挿 Gaussian Matrix model (exact な結果 ) の planar での値

41 ラージ N リダクション : S 3 上のゲージ理論は その次元簡約で得られる行列模型をもちいて記述することが出来る R S 3 上の planar N=4 SYM 理論 = PWMM のあるラージ N 極限 PWMM は数値計算可能 (lattice, non-lattice) なので 上の関係に基づいて N=4 SYM の数値計算も可能となる 1-loop 自由エネルギー, 1-loop beta 関数, 円形 Wilson loop(all order) が この定式化に基づいて正しく再現された N=4 SYM の Chiral primary 演算子の 2,3,4 点関数と円形 Wilson loop を RHMC により計算した 大きなサイズの行列模型の数値計算が可能になれば N=4 SYM のより精密な数値計算が可能になるはず AdS/CFT の精密検証

42

43 [Ishii-Ishiki-Shimasaki-Ohta-Tsuchiya] [Ishiki-Ohta- Shimasaki-Tsuchiya] S 3 /Z k 上の Chern-Simons 理論 ラージ N リダクション ( 又は matrix T-duality) の非自明な U(1) 束への拡張 [Ishiki-Ohta- Shimasaki-Tsuchiya] S 2 上の BF 理論 ( 二次元 Yang-Mills 理論 ) [Shimasaki s Poster ] 非可換球面の構成 N=1* 行列模型

44 と場を再定義する を対角化するゲージをとる と を先に積分する S 3 上の Chern-Simons 理論を記述する部分を抜き出す必要がある

45 : SU(2) の M 次元表現 によって指定される は既約表現を指定 は重複度 S 3 を実現する表現 この分配関数で記述される理論は, で S 3 上のラージ N の Chern-Simons 理論を記述していると期待できる

46 一方 S 3 上の Chern-Simons 理論では ただしここで

47 S 3 大円 一方 S 3 上の Chern-Simons 理論において シューア関数

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