Massive matter and the double copy : bootstrapping amplitudes in gauge and gravity theories - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Massive matter and the double copy : bootstrapping amplitudes in gauge and gravity theories

La matière massive et la double copie : bootstrap des amplitudes dans les théories de jauge et de gravité

Résumé

The LHC and the advent of gravitational wave observation have motivated tremendous progress in developing approaches to precision predictions in fundamental gauge theories and classical general relativity, and the two can be intimately connected. The color-kinematics duality of Bern, Carrasco, and Johansson (BCJ) for gauge theories is a duality where in amplitudes, graph-by-graph, kinematic weights obey the same general algebraic constraints as color weights. When arranged in such a representation the color-weights can be replaced by another copy of kinematic weights, generating diffeomorphic invariant scattering amplitudes for gravitational theories in a procedure known as double-copy construction. These gravitational amplitudes can then in turn be applied to predicting classical observables. The color-dual form for gauge theory predictions means we only need to fix the physical information in a small number of basis graphs, and algebraic relations propagate this to the full prediction—both at tree-level and importantly at loop-level for the integrand description. This thesis develops a BCJ duality satisfying representation of tree- and loop-level amplitudes in massive scalar coupled QCD. The double-copy amplitudes are then relevant to non-rotating black hole scattering. We use the BCJ duality to reduce the set of graphs of amplitudes up to one-loop five-point to a smaller set of basis graphs, to which we give ansatze that are constrained by unitarity cuts and color-kinematics relations. Our color-dual representations have an important feature. The same kinematic weights, graph by graph, are applicable to scalars regardless of whether they are charged in the fundamental or the adjoint. Indeed one can use adjoint-type ordered cuts to constrain these kinematic weights to be used for predictions in a multitude of theories, depending on which graphs you allow to contribute and how you weight their color. The double copy construction maps from the scattering of gluons to the scattering of gravitons in N=0 supergravity, with additional massless states beyond the graviton coupling to the massive scalars. At tree- and loop-level we show that a projective double copy, combining naive double-copy with an application of the method of maximal cuts, can be easily exploited to project out non-gravitational states from the naive double copy, bootstrapping the predictions associated with pure-gravitational interactions between massive scalars. We expect that the integrands found in this thesis can be used to find one-loop five-point predictions towards radiative corrections to classical observables. With that in mind, we warm up by using the amplitudes found in this thesis to reproduce known results for the color-impulse at leading and next-to-leading order, and radiation at leading order.
Le LHC et l'avènement de l'observation des ondes gravitationnelles ont motivé des progrès considérables dans le développement d'approches des prédictions de précision dans les théories de jauge fondamentales et la relativité générale classique, et les deux peuvent être intimement liés. La dualité couleur-cinématique de Bern, Carrasco et Johansson (BCJ) pour les théories de jauge est une dualité où en amplitudes, graphique par graphique, les poids cinématiques obéissent aux mêmes contraintes algébriques générales que les poids de couleur. Lorsqu'ils sont disposés dans une telle représentation, les poids de couleur peuvent être remplacés par une autre copie des poids cinématiques, générant des amplitudes de diffusion invariantes difféomorphes pour les théories gravitationnelles dans une procédure connue sous le nom de construction en double copie. Ces amplitudes gravitationnelles peuvent à leur tour être appliquées à la prédiction d'observables classiques. La forme bicolore pour les prédictions de la théorie de jauge signifie que nous n'avons besoin de fixer les informations physiques que dans un petit nombre de graphes de base, et les relations algébriques propagent cela à la prédiction complète, à la fois au niveau de l'arbre et surtout au niveau de la boucle pour l'intégrande la description. Cette thèse développe une dualité BCJ satisfaisant la représentation des amplitudes au niveau de l'arbre et de la boucle dans la QCD massive couplée scalaire. Les amplitudes en double copie sont alors pertinentes pour la diffusion des trous noirs non rotatifs. Nous utilisons la dualité BCJ pour réduire l'ensemble de graphes d'amplitudes jusqu'à une boucle à cinq points à un ensemble plus petit de graphes de base, auxquels nous donnons des ansatze qui sont contraints par des coupes unitaires et des relations couleur-cinématique. Nos représentations à double couleur ont une caractéristique importante. Les mêmes poids cinématiques, graphe par graphe, sont applicables aux scalaires qu'ils soient chargés dans le fondamental ou dans l'adjoint. En effet, on peut utiliser des coupes ordonnées de type adjoint pour contraindre ces poids cinématiques à utiliser pour les prédictions dans une multitude de théories, en fonction des graphiques que vous autorisez à contribuer et de la façon dont vous pondérez leur couleur. La construction en double copie va de la diffusion des gluons à la diffusion des gravitons en supergravité N=0, avec des états sans masse supplémentaires au-delà du couplage du graviton aux scalaires massifs. Au niveau de l'arbre et de la boucle, nous montrons qu'une double copie projective, combinant une double copie naïve avec une application de la méthode des coupes maximales, peut être facilement exploitée pour projeter des états non gravitationnels à partir de la double copie naïve, en amorçant les prédictions associée à des interactions gravitationnelles pures entre scalaires massifs. Nous nous attendons à ce que les intégrandes trouvés dans cette thèse puissent être utilisés pour trouver des prédictions à une boucle en cinq points vers des corrections radiatives aux observables classiques. Dans cet esprit, nous nous réchauffons en utilisant les amplitudes trouvées dans cette thèse pour reproduire les résultats connus pour l'impulsion de couleur à l'ordre dominant et sub-dominant, et le rayonnement à l'ordre dominant.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03522506 , version 1 (12-01-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03522506 , version 1

Citer

Ingrid A. Vazquez-Holm. Massive matter and the double copy : bootstrapping amplitudes in gauge and gravity theories. High Energy Physics - Theory [hep-th]. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASP066⟩. ⟨tel-03522506⟩
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