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Ydalia:
[phys/proceedings_lattice13.git] / proceed.tex
1 \documentclass{PoS}
2
3 \usepackage[intlimits]{amsmath}
4 \usepackage{amssymb}
5 \usepackage{mathrsfs}
6 \usepackage{dsfont}
7 \usepackage{subfigure}
8
9 \title{Solving the sign problem of two flavored scalar electrodynamics at finite chemical potential}
10
11 \ShortTitle{Solving the sign problem of two-falvored scalar electrodynamics at finite chemical potential}
12
13 \author{Ydalia Delgado
14 \\Institut f\"ur Physik, Karl-Franzens Universit\"at, Graz, Austria
15 \\E-mail: \email{ydalia.delgado-mercado@uni-graz.at}}
16
17 \author{Christof Gattringer
18 \\Institut f\"ur Physik, Karl-Franzens Universit\"at, Graz, Austria
19 \\E-mail: \email{christof.gattringer@uni-graz.at}}
20
21 \author{Alexander Schmidt
22 \\Institut f\"ur Physik, Karl-Franzens Universit\"at, Graz, Austria
23 \\E-mail: \email{alexander.schmidt@uni-graz.at}}
24
25
26 \abstract{
27 We explore two-flavored scalar electrodynamics on the lattice, which has a complex phase problem 
28 at finite chemical potential. By rewriting the action in terms of dual variables 
29 this complex phase problem can be solved exactly. The dual variables are links and plaquettes, subject to non-trivial 
30 constraints, which have to be respected by the Monte Carlo algorithm. For the simulation we use a local update that always obeys the constraints and the surface worm algorithm (SWA). 
31 The SWA is a generalization of the Prokof'ev Svistunov 
32 worm algorithm concept to simulate the dual representation of abelian Gauge-Higgs models on a lattice. 
33 We also assess the performance of the SWA and compare it with the local update algorithm in the dual representation. 
34 Finally, we determine the full phase diagram of the model.
35 }
36
37 \FullConference{XXIX International Symposium on Lattice Field Theory \\
38                  July 29 $-$ August 03 2013\\
39                  Mainz, Germany}
40  
41 \begin{document}
42
43 \section{Motivation}
44 \vspace{-1mm}
45 \noindent
46 At finite chemical potential $\mu$ the fermion determinant becomes complex
47 and can not be interpreted as a probability weight in the Monte Carlo simulation.
48 This complex phase problem has slowed down considerably the exploration of QCD
49 at finite density using Lattice QCD.  Although many efforts have been put into
50 solving the complex phase problem of QCD (see e.g. \cite{reviews}), the final goal
51 has not been achieved yet.
52
53 For some models or QCD in limiting cases, it is possible to deal with the complex phase 
54 problem (e.g. \cite{solve-sign-problem}).  Among the different techniques, we use the dual representation,
55 which has been shown to be a very powerful method that can solve the complex 
56 phase problem of different models \cite{dual} without making any approximation of the partition sum.  
57 In the following we present another example where the dual representation can be applied successfully.  
58 We consider a compact U(1) gauge field coupled with two complex scalar fields with opposite charge \cite{prl}. 
59 We explore the full phase diagram as a function of the inverse gauge coupling and the mass parameter, 
60 and present some preliminary results at finite $\mu$.
61
62 After mapping the degrees of freedom of the system to its dual variables, the weight in the 
63 partition sum is positive and real and usual Monte Carlo techniques can be applied.  However, 
64 the dual variables, links and plaquettes for this model, are subject to non-trivial constraints.
65 Therefore one has to choose a proper algorithm in order to sample the system efficiently.  In our case, we have
66 used two different Monte Carlo algorithms:  A local update algorithm (LMA) \cite{z3} and an extension \cite{swa} of the
67 Prokof'ev Svistunov worm algorithm \cite{worm}.   Here we present
68 some technical comparison of both algorithms in addition to the physics of the model.
69  
70  
71 \section{Two-flavored scalar electrodynamics}
72 \vspace{-1mm}
73 \noindent
74 We here study two-flavored scalar electrodynamics, which is a model of two flavors of oppositely charged complex fields $\phi_x, \chi_x \in \mathds{C}$ living on the 
75 sites $x$ and interacting via the gauge fields $U_{x,\sigma} \in$ U(1) sitting on the links. We use 4-d euclidean lattices of size $V_4 = N_s^3 \times N_t$ with periodic 
76 boundary conditions for all directions. The lattice spacing is set to 1, i.e., all dimensionful quantities 
77 are in units of the lattice spacing. Scale setting can be implemented as in any other lattice field theory 
78 and issues concerning the continuum behavior are, e.g., discussed in \cite{LuWe}.
79 We write the action as the sum, 
80 $S = S_U + S_\phi + S_\chi$, where $S_U$ is the gauge action and $S_\phi$ and $S_\chi$ are the actions for the two scalars. 
81 For the gauge action we use 
82 Wilson's form
83 \begin{equation} 
84 S_U \; = \; - \beta \, \sum_x \sum_{\sigma < \tau} \mbox{Re} \; U_{x,\sigma} U_{x+\widehat{\sigma}, \tau}
85 U_{x+\widehat{\tau},\sigma}^\star U_{x,\tau}^\star \; .
86 \label{gaugeaction}
87 \end{equation}
88 The sum runs over all plaquettes, $\widehat{\sigma}$ and $\widehat{\tau}$ denote the unit vectors in $\sigma$- and 
89 $\tau$-direction and the asterisk is used for complex conjugation.  
90 The action for the field $\phi$ is 
91 \begin{eqnarray}
92 && \qquad S_\phi   
93 =  \! \sum_x \!\Big(  M_\phi^2 \, |\phi_x|^2  + \lambda_\phi |\phi_x|^4  -
94 \label{matteraction} \\
95 && \sum_{\nu = 1}^4 \!
96 \big[  e^{-\mu_\phi  \delta_{\nu, 4} } \, \phi_x^\star \, U_{x,\nu} \,\phi_{x+\widehat{\nu}} 
97 \, + \, 
98 e^{\mu_\phi \delta_{\nu, 4}} \, \phi_x^\star \, 
99 U_{x-\widehat{\nu}, \nu}^\star \, \phi_{x-\widehat{\nu}}  \big] \!  \Big) .
100 \nonumber
101 \end{eqnarray}
102 By $M_\phi^2$  we denote the combination $8 + m_\phi^2$, where $m_\phi$ is the bare mass
103 parameter of the field $\phi$ and $\mu_\phi$ is the chemical potential, which favors forward
104 hopping in time-direction (= 4-direction). The coupling for the quartic term is denoted as 
105 $\lambda_\phi$. The action for the field $\chi$ has the same form as
106 (\ref{matteraction}) but with complex conjugate link variables $U_{x,\nu}$ such that $\chi$ has
107 opposite charge.  $M_\chi^2$, $\mu_\chi$ and $\lambda_\chi$  are used for the parameters of $\chi$. 
108
109 The partition sum $Z = \int D[U] D[\phi,\chi] e^{-S_U - S_\chi - S_\phi}$  is obtained by
110 integrating the Boltzmann factor over all field configurations. The measures are products over
111 the measures for each individual degree of freedom.
112
113 Note that for $\mu_\phi \neq 0$ (\ref{matteraction}) is complex, i.e., in the
114 conventional form  the theory has a complex action problem.
115
116
117 \vskip2mm
118 \noindent  
119 {\bf Dual representation:} A detailed derivation of the dual representation for the 1-flavor
120 model is given in \cite{DeGaSch1} and the generalization to two flavors is straightforward.
121 The final result 
122 for the dual representation of the partition sum for the gauge-Higgs model with two flavors is
123 \begin{equation}
124 \hspace*{-3mm} Z = \!\!\!\!\!\! \sum_{\{p,j,\overline{j},l,\overline{l} \}} \!\!\!\!\!\!  {\cal C}_g[p,j,l]  \;  {\cal C}_s  [j] \;   {\cal C}_s  [l] \;  {\cal W}_U[p] 
125 \; {\cal W}_\phi \big[j,\overline{j}\,\big] \, {\cal W}_\chi \big[l,\overline{l}\,\big]  .
126 \label{Zfinal}
127 \end{equation} 
128 The sum runs over all configurations of the dual variables: The occupation numbers 
129 $p_{x,\sigma\tau} \in \mathds{Z}$ assigned to the plaquettes of the lattice and the flux variables  $j_{x,\nu},  l_{x,\nu} \in \mathds{Z}$ and
130 $\overline{j}_{x,\nu},  \overline{l}_{x,\nu} \in \mathds{N}_0$ living on the links. The flux variables $j$ and $l$ are subject
131 to the constraints ${\cal C}_s$ (here $\delta(n)$ denotes the Kronecker delta $\delta_{n,0}$ and $\partial_\nu f_x \equiv 
132 f_x - f_{x-\widehat{\nu}}$)
133 \begin{equation}
134  {\cal C}_s [j] \, = \, \prod_x \delta \! \left( \sum_\nu \partial_\nu j_{x,\nu}  \right) , \;
135 \label{loopconstU1}
136 \end{equation}
137 which enforce the conservation of $j$-flux and of $l$-flux at each site of the lattice.
138 Another constraint,
139 \begin{equation}
140  {\cal C}_g [p,j,l]  \! =\!  \prod_{x,\nu} \! \delta  \Bigg( \!\sum_{\nu < \alpha}\! \partial_\nu p_{x,\nu\alpha}  
141 - \!\sum_{\alpha<\nu}\! \partial_\nu p_{x,\alpha\nu} + j_{x,\nu} - l_{x,\nu} \! \Bigg)\! ,
142 \label{plaqconstU1}  
143 \end{equation}
144 connects the plaquette occupation numbers $p$ with the $j$- and $l$-variables. 
145 At every link it enforces the combined flux of the plaquette occupation 
146 numbers  plus the difference of $j$- and $l$-flux residing on that link to vanish. 
147
148 The constraints (\ref{loopconstU1}) and (\ref{plaqconstU1}) restrict the admissible
149 flux and plaquette occupation numbers giving rise to an interesting geometrical
150 interpretation: The $j$- and $l$-fluxes form closed oriented loops made of links. The integers
151 $j_{x,\nu}$ and $l_{x,\nu}$ determine how often a link is run through by loop segments, with negative
152 numbers indicating net flux in the negative direction. The flux conservation 
153 (\ref{loopconstU1}) ensures that only closed loops appear. Similarly, the constraint 
154 (\ref{plaqconstU1}) for the plaquette occupation numbers can be seen as a continuity
155 condition for surfaces made of plaquettes. The surfaces are either closed
156 surfaces without boundaries or open surfaces bounded by  $j$- or $l$-flux.
157
158 The configurations of plaquette occupation numbers and fluxes in (\ref{Zfinal}) come with 
159 weight factors 
160 \begin{eqnarray}
161 {\cal W}_U[p] & = & \!\! \! \prod_{x,\sigma < \tau} \! \! \!
162  I_{p_{x,\sigma\tau}}(\beta) \, ,
163 \\   
164 {\cal W}_\phi \big[j,\overline{j}\big] & = & 
165 \prod_{x,\nu}\! \frac{1}{(|j_{x,\nu}|\! +\! \overline{j}_{x,\nu})! \, 
166 \overline{j}_{x,\nu}!} 
167 \prod_x e^{-\mu j_{x,4}}  P_\phi \left( f_x \right) ,
168 \nonumber
169 \end{eqnarray}
170 with $f_x = \sum_\nu\!\big[ |j_{x,\nu}|\!+\!  |j_{x-\widehat{\nu},\nu}|  \!+\!
171 2\overline{j}_{x,\nu}\! +\! 2\overline{j}_{x-\widehat{\nu},\nu} \big]$ which is an even number. The $I_p(\beta)$
172 in the weights  ${\cal W}_U$ are the modified Bessel functions and the $P_\phi (2n)$ in 
173 ${\cal W}_\phi$  are the integrals $ P_\phi (2n)  =  \int_0^\infty dr \, r^{2n+1}
174 \,  e^{-M_\phi^2\, r^2 - \lambda_\phi r^4} = \sqrt{\pi/16 \lambda}  \, (-\partial/\partial M^2)^n \;  
175 e^{M^4 / 4 \lambda} [1- erf(M^2/2\sqrt{\lambda})]$, which we evaluate numerically and
176 pre-store for the Monte Carlo. The weight factors $ {\cal
177 W}_\chi$ are the same as the $ {\cal W}_\phi$, only  the parameters $M_\phi^2$,
178 $\lambda_\phi$, $\mu_\phi$ are replaced by  $M_\chi^2$, $\lambda_\chi$, $\mu_\chi$. All
179 weight factors are real and positive. The partition sum (\ref{Zfinal}) thus  is
180 accessible  to Monte Carlo techniques,  using the plaquette occupation numbers and the
181 flux variables as the new degrees of freedom. 
182
183
184 \section{Monte Carlo simulation}
185 \vspace*{-1mm}
186 \noindent
187 Because the dual variables are subject to non-trivial constraints, they cannot be modified randomly during the update.
188 A straight forward way to sample the system is to change allowed surfaces.  
189 Thus we choose the smallest possible structures in order to
190 increase the acceptance rate.  This algorithm is called local update
191 (LMA) and was used in \cite{z3,swa,prl}.  Another possibility is to use an extension of the worm
192 algorithm \cite{worm}, the so called surface worm algorithm \cite{swa}.  For this model we use both algorithms and
193 assess their performance.
194
195 \subsection{Local update algorithm}
196 Let us begin by describing the LMA. It consists of the following updates:
197 \begin{itemize}
198 \vspace*{-1mm}
199 \item A sweep for each unconstrained variable $\overline{l}$ and $\overline{j}$ 
200 rising or lowering their occupation number by one unit.
201 %
202 \vspace*{-1mm}
203 \item ``Plaquette update'': 
204 It consists of increasing or decreasing a plaquette occupation number
205 $p_{x,\nu\rho}$ and
206 the link fluxes (either $l_{x,\sigma}$ or $j_{x,\sigma}$) at the edges of $p_{x,\nu\rho}$ by $\pm 1$ as 
207 illustrated in Fig.~\ref{plaquette}. The change of $p_{x, \nu \rho}$ 
208 by $\pm 1$ is indicated by the signs $+$ or $-$, while the flux variables $l$($j$) are denoted by the thin red line
209 (fat blue lines)
210 and we use a dashed line to indicate a decrease by $-1$ and a full line for an increase by $+1$.
211 %
212 \vspace*{-1mm}
213 \item ``Winding loop update'': 
214 It consists of increasing or decreasing the occupation number of both link variables $l$ and $j$ by 
215 one unit along a winding loop in any of the 4 directions.  This update is very important because the winding loops
216 in time direction are the only objects that couple to the chemical potential.
217 %
218 \vspace*{-1mm}
219 \item ``Cube update'':  The plaquettes of 3-cubes
220 of our 4d lattice are changed according to one of the two patterns illustrated in 
221 Fig.~\ref{cube}. 
222 Although the plaquette and winding loop update are enough to satisfy ergodicity, 
223 the cube update helps for decorrelation in the region of 
224 parameters where the system is dominated by closed surfaces, i.e., the link
225 acceptance rate is small.
226 \end{itemize}
227 \vspace*{-1mm}
228 A full sweep consists of updating all links, plaquettes, 3-cubes and winding loops on the lattice,
229 offering one of the changes mentioned above and accepting them with the Metropolis 
230 probability computed from the local weight factors.
231
232 \begin{figure}[h]
233 \begin{center}
234 \includegraphics[width=\textwidth,clip]{pics/plaquettes}
235 \end{center}
236 \vspace{-4mm}
237 \caption{Plaquette update: A plaquette occupation number is changed by $+1$ or
238 $-1$ and the links $l$ (thin red links) or $j$ (fat blue links) of the plaquette are changed simultaneously. The
239 full line indicates an increase by +1 and a dashed line a decrease by $-1$. 
240 The directions $1 \le \nu_1 < \nu_2 \le 4$
241 indicate the plane of the plaquette.} \label{plaquette}
242 \vspace{-2mm}
243 \end{figure}
244
245 \begin{figure}[h]
246 \begin{center}
247 \includegraphics[width=0.7\textwidth,clip]{pics/cubes}
248 \end{center}
249 \vspace{-4mm}
250 \caption{Cube update: Here we show the changes in the plaquette occupation numbers. 
251 The edges of the 3-cube are parallel to 
252 the directions $1 \leq \nu_1 < \nu_2 < \nu_3 \leq 4$.} \label{cube}
253 \vspace*{-2mm}
254 \end{figure}
255
256 \subsection{Worm algorithm}
257 \noindent
258 Instead of the plaquette and cube updates we can use the worm algorithm.
259 Here we will shortly describe the SWA (see \cite{swa} for a detailed description).
260
261 The SWA is constructed by breaking up the smallest update, i.e., the plaquette update 
262 into smaller building blocks called ``segments'' 
263 (examples are shown in Fig.~\ref{segments}) used to build larger surfaces  
264 on which the flux and plaquette variables are changed.
265 In the SWA the constraints are temporarily violated at a link
266 $L_V$, the head of the worm, and the two sites at its endpoints.
267 The admissible configurations are produced using 3 steps:
268 \begin{enumerate}
269 \item The worm starts by changing either the $l$ or $j$  flux by $\pm 1$ at 
270 a randomly chosen link (step 1 in Fig.~\ref{worm}, a worm for $l$ fluxes starts).
271 \item The first link becomes the head of the worm $L_V$.
272 The defect at $L_V$ is then propagated through the lattice by 
273 attaching segments of the same kind of flux as the first segment, 
274 which are chosen in such a way that the constraints are always 
275 obeyed (step 2 in Fig.~\ref{worm}).
276 \item The defect is propagated through the lattice until the worm decides to
277 end with the insertion of another unit of link flux at $L_V$ (step 3 in Fig.~\ref{worm}).
278  
279 \end{enumerate}
280 A full sweep consists of $V_4$ worms with the $l$ fluxes and $V_4$ worms with the $j$ fluxes, 
281 plus a sweep of the unconstrained 
282 variables $\overline{l}$ and $\overline{j}$,
283 and a sweep of winding loops (as explained for the LMA).
284
285 \begin{figure}[h]
286 \begin{center}
287 \includegraphics[width=\textwidth,clip]{pics/segments}
288 \end{center}
289 \vspace{-4mm}
290 \caption{Examples of segments for the links $l$ (lhs.) and $j$ (rhs.) 
291 in the $\nu_1$-$\nu_2$-plane ($\nu_1 < \nu_2$).
292 The plaquette occupation numbers are changed as indicated by the signs. 
293 The full (dashed) links are changed by $+1$ ($-1$). The empty link shows
294 where the segment is attached to the worm and the dotted link is the new position of the link
295 $L_V$ where the constraints are violated.} \label{segments}
296 \vspace{-2mm}
297 \end{figure}
298
299 \begin{figure}[h]
300 \begin{center}
301 \includegraphics[width=\textwidth,clip]{pics/worm}
302 \end{center}
303 \vspace{-4mm}
304 \caption{Illustration of the worm algorithm.  See text for an explanation.} \label{worm}
305 \vspace{-2mm}
306 \end{figure} 
307
308
309 \section{Results}
310 \vspace{-1mm}
311 \noindent
312 In this section we describe the numerical analysis.  We first show the assessment of both algorithms
313 and then the physics of the model.  In both cases we use thermodynamical observables and their fluctuations.
314 We study in particular three observables:  The first and second derivatives with respect to the inverse
315 gauge coupling $\beta$, i.e., the plaquette expectation value and its susceptibility,
316
317 \begin{equation}
318 \langle U \rangle = \frac{1}{6 N_s^3 N_t}\frac{\partial}{\partial \beta} \ln\ Z\quad , \quad
319 \chi_{U} = \frac{1}{6 N_s^3 N_t}\frac{\partial^2}{\partial \beta^2} \ln\ Z\ .
320 \end{equation}
321
322 \noindent We also consider the particle number density $n$ 
323 and its susceptibility which are the derivatives 
324 with respect to the chemical potential,
325
326 \begin{equation}
327 n  = \frac{1}{N_s^3 N_t}\frac{\partial}{\partial \mu} \ln\ Z\quad , \quad
328 \chi_{n} = \frac{1}{N_s^3 N_t}\frac{\partial^2}{\partial \mu^2} \ln\ Z\ .
329 \end{equation}
330
331 \noindent Finally, we analyze the derivatives with respect to $M^2$,
332
333 \begin{equation}
334 \langle |\phi|^2 \rangle = \frac{1}{N_s^3 N_t}\frac{\partial}{\partial M^2} \ln\ Z\quad , \quad
335 \chi_{|\phi|^2} = \frac{1}{N_s^3 N_t}\frac{\partial^2}{\partial (M^2)^2} \ln\ Z\ .
336 \end{equation}
337
338 \subsection{Algorithm assessment}
339 \noindent
340 For the comparison of both algorithms we considered the U(1) gauge-Higgs model coupled
341 with one (see \cite{swa}) and two scalar fields (as described here).  
342 First we checked the correctness of the SWA comparing the results for different 
343 lattices sizes and parameters.  Examples for the one flavor model are shown in \cite{swa}.
344 In Fig.~\ref{obs} we can observe some examples for the two flavor case.
345 The figure on the top shows 
346 $\langle |\phi|^2 \rangle$ (lhs.) and its susceptibility (rhs.) as a function of $\mu$ 
347 at $\beta = 0.85$ and $M^2 = 5.325$ on a lattice of size $12^3 \times 60$.  This point is located
348 in the Higgs phase and does not show any phase transition.  The plot on the bottom shows 
349 the particle number $n$ (lhs.) and its susceptibility (rhs.) as a function of $\mu$
350 for $\beta = 0.75$ and $M^2 = 5.73$ on a lattice of volume $12^3 \times 60$.  This plot shows
351 the transition from the confining phase to the Higgs phase. 
352 We observe very good agreement between both algorithms.
353
354 \begin{figure}[h]
355 \begin{center}
356 \hbox{\includegraphics[width=\textwidth,clip]{pics/aphi}}
357 \hbox{\hspace{4mm}\includegraphics[width=0.97\textwidth,clip]{pics/bn}}
358 \end{center}
359 \vspace{-6mm}
360 \caption{Observables for the two flavor model as a function of $\mu$ for different 
361 parameters on a $12^3 \times 60$ lattice.
362 We compare results from the SWA (circles) and the LMA (triangles).} \label{obs}
363 \vspace*{-2mm}
364 \end{figure}
365
366 \noindent
367 In order to obtain a measure of the computational effort, we compared the normalized 
368 autocorrelation time $\overline{\tau}$ as defined in \cite{swa} of the SWA and LMA for 
369 the one flavored model for different volumes and parameters.  We concluded that,
370 the SWA outperforms the local update near a phase transition and if
371 the acceptance rate of the constrained link variable is not very low (eg. lhs. of Fig.~\ref{auto}).  
372 On the other hand, when the constrained links have a very low acceptance rate 
373 the worm algorithm has difficulties to efficiently sample the 
374 system because it modifies the link occupation number in every move, while the LMA has a sweep with only
375 closed surfaces. The plot on the rhs. of Fig.~\ref{auto} shows how $\overline{\tau}$ for
376 $U$ is larger for the SWA than for the LMA.  But this can be overcome by offering
377 a sweep of cube updates.
378
379 \begin{figure}[t]
380 \begin{center}
381 \includegraphics[width=\textwidth,clip]{pics/u2}
382 \end{center}
383 \vspace{-4mm}
384 \caption{Normalized autocorrelation times $\overline{\tau}$ for 2 different set
385 of parameters for the one flavor model.  Left: parameters close to a first order phase transition. 
386 Right: low acceptance rate of the variable $l$.  Both simulations correspond
387 to a $16^4$ lattice.  Data taken from \cite{swa}.} \label{auto}
388 \vspace*{-2mm}
389 \end{figure}
390
391 \subsection{Physics}
392 One of the main results of these studies so far and already published in \cite{prl} is the full phase diagram of the considered model in the $\beta$-$M^2$ plane at $\mu=0$ and some selected chemical potential driven phase transitions of the measured observables. For the sake of completeness we here again want to show the obtained phase diagram, but as a proceedings-extra also present some plots which show the shifting of the phase-boundaries at $\mu \neq 0$ and measurements of the dual occupation numbers.
393
394 \subsubsection*{Phase-diagram at $\mu=0$}
395 \noindent
396 We studied the different transition lines in Fig.~\ref{phasediagram} using finite size analysis of the measured observables $\langle U \rangle$ and $\langle |\phi|^2 \rangle$ and the corresponding susceptibilities, finding that the phase boundary separating  Higgs- and
397 confining phase is strong first order, the line separating confining- and Coulomb phase is  of weak
398 first order, and the boundary between Coulomb- and Higgs phase is a continuous transition. 
399 Our results for the $\mu = 0$ phase diagram are in qualitative
400 agreement with the conventional results for related
401 models \cite{Lang}.
402 \begin{figure}[h]
403 \centering
404 \hspace*{-3mm}
405 \includegraphics[width=85mm,clip]{pics/phasediagram}
406 \caption{Phase diagram in the $\beta$-$M^2$ plane at $\mu = 0$. We show
407 the phase boundaries determined from the maxima of the susceptibilities $\chi_U$ and $\chi_{\phi}$ and the
408 inflection points of $\chi_n$.}
409 \label{phasediagram}
410 \end{figure}
411
412 \subsubsection*{Phase-boundaries at $\mu \neq 0$}
413 \noindent
414 In Fig.~\ref{muphases} we plot the observables $\langle U \rangle$, $\langle |\phi|^2 \rangle$, $\langle n \rangle$ as function of $\beta$ and $M^2$ for four different values of the chemical potential $\mu=0,0.5,1,1.5$.
415
416 \noindent
417 The phase-transition from the confining phase to the Coulomb phase shown in Fig.~\ref{phasediagram} is characterized by $\langle U \rangle$ growing larger across the transition but no significant changes in the other observables, which is the reason why the confinement-Coulomb transition can only be seen in the $\langle U \rangle$-plots.
418 For all observables it can be seen that the phase-boundaries in general become more pronounced at higher chemical potential and for the Higgs-Coulomb transition the transition type may even change from crossover to first order. Still, the shown results have to be considered preliminary and more detailed studies will be necessary to draw final conclusions. 
419 \begin{figure}[h]
420 \centering
421 \hspace*{-3mm}
422 \includegraphics[width=\linewidth,clip]{pics/muphases}
423 \caption{We show the observables $\langle U \rangle$, $\langle |\phi|^2 \rangle$, $\langle n \rangle$ as function of $\beta$ and $M^2$ for different $\mu = 0,0.5,1,1.5$. It can be seen how the phase boundaries change with increasing chemical potential.}
424 \label{muphases}
425 \end{figure}
426
427 \subsubsection*{Dual occupation numbers}
428 \noindent
429 The dual reformulation of a problem makes it possible to look at the same physics from a different perspective by studying the dynamics of the dual degrees of freedom instead of the conventional ones. This being a feature we find especially exciting about rewriting to dual variables, we here want to present an example.
430
431 \noindent
432 In Fig.~\ref{occutrans_plaq} we plot the plaquette expectation value $\langle U \rangle$ and the corresponding susceptibility $\chi_U$ as function of the chemical potential, for two different volumes $12^3\times60$ and $16^3\times60$. We see that for the larger volume the transition is shifted slightly towards lower chemical potential, but the volume dependence seems to be reasonably small. The parameters $\beta$ and $M^2$ are fixed to $\beta=0.75$ and $M^2=5.73$. Increasing the chemical potential takes us from the confining- to the Higgs-phase where we cross the phase boundary at some critical value of $\mu$, which is $\mu\simeq2.65$ for the larger and $\mu\simeq2.7$ for the smaller lattice, telling us that the Higgs phase is tilted towards the confining phase in $\mu$-direction. Below the critical value of the chemical potential both 
433 $\langle U \rangle$ and $\chi_U$ are independent of $\mu$, which is characteristic for a Silverblaze type transition \cite{cohen}.
434
435 \noindent
436 Then in Fig.~\ref{occutrans} we show the occupation numbers of all dual link variables $\bar{j}$, $\bar{l}$, $j$, 
437 $l$ and dual plaquette variables $p$ just below (top) and above (bottom) the critical chemical potential $\mu_c$. Here blue links/plaquettes depict positive occupation numbers, green links/plaquettes depict negative occupation numbers and links/plaquettes with $0$-occupation are spared out. It can be seen that below $\mu_c$ links and plaquettes are hardly occupied, while above $\mu_c$ they are highly occupied. In that sense the Silverblaze transition shown in Fig.~\ref{occutrans_plaq} can be understood as condensation phenomenon, which is a new perspective on the underlying physics we gained from the dual reformulation of the problem.
438
439 \begin{figure}[h]
440 \centering
441 \hspace*{-3mm}
442 \includegraphics[width=\linewidth,clip]{pics/occutrans_plaq}
443 \caption{We here show the plaquette expectation value $\langle U \rangle$ and the corresponding suscpetibility $\chi_U$ as function of the chemical potential, for two different volumes $12^3\times60$ and $16^3\times60$.}
444 \label{occutrans_plaq}
445 \end{figure}
446 \begin{figure}[h]
447 \centering
448 \hspace*{-3mm}
449 \includegraphics[width=\linewidth,clip]{pics/occutrans}
450 \caption{Dual link occupation numbers $\bar{j}$, $\bar{l}$, $j$, $l$ and dual plaquette occupation numbers $p$ just below (top) and above (bottom) the transition from the confining- to the Higgs-phase shown in the previous plot.}
451 \label{occutrans}
452 \end{figure}
453
454 \section*{Acknowledgments} 
455 \vspace{-1mm}
456 \noindent
457 We thank Hans Gerd Evertz 
458 for numerous discussions that helped to shape this project and for 
459 providing us with the software to compute the autocorrelation times. 
460 This work was supported by the Austrian Science Fund, 
461 FWF, DK {\it Hadrons in Vacuum, Nuclei, and Stars} (FWF DK W1203-N16). Y.~Delgado is supported by
462 the Research Executive Agency (REA) of the European Union 
463 under Grant Agreement number PITN-GA-2009-238353 (ITN STRONGnet), HP2 and TRR 55.
464
465 \begin{thebibliography}{123456}
466 \bibitem{reviews}
467   P.~Petreczky,
468   %``Review of recent highlights in lattice calculations at finite temperature and finite density,''
469   PoS ConfinementX {\bf } (2012) 028
470   [arXiv:1301.6188 [hep-lat]].
471   %%CITATION = ARXIV:1301.6188;%%
472   %3 citations counted in INSPIRE as of 21 Oct 2013
473 %  
474   G.~Aarts,
475   %``Complex Langevin dynamics and other approaches at finite chemical potential,''
476   PoS LATTICE {\bf 2012} (2012) 017
477   [arXiv:1302.3028 [hep-lat]].
478   %%CITATION = ARXIV:1302.3028;%%
479   %3 citations counted in INSPIRE as of 08 Apr 2013
480   
481 \bibitem{solve-sign-problem}
482   D.~Sexty,
483   %``Simulating full QCD at nonzero density using the complex Langevin equation,''
484   arXiv:1307.7748 [hep-lat].
485   %%CITATION = ARXIV:1307.7748;%%
486   %4 citations counted in INSPIRE as of 21 Oct 2013
487 %
488   S.~Chandrasekharan,
489   %``Fermion Bag Approach to Fermion Sign Problems,''
490   Eur.\ Phys.\ J.\ A {\bf 49} (2013) 90
491   [arXiv:1304.4900 [hep-lat]].
492   %%CITATION = ARXIV:1304.4900;%%
493   %1 citations counted in INSPIRE as of 21 Oct 2013
494 %
495   G.~Aarts, P.~Giudice, E.~Seiler and E.~Seiler,
496   %``Localised distributions and criteria for correctness in complex Langevin dynamics,''
497   Annals Phys.\  {\bf 337} (2013) 238
498   [arXiv:1306.3075 [hep-lat]].
499   %%CITATION = ARXIV:1306.3075;%%
500   %4 citations counted in INSPIRE as of 21 Oct 2013
501 %
502   G.~Aarts, L.~Bongiovanni, E.~Seiler, D.~Sexty and I.~-O.~Stamatescu,
503   %``Controlling complex Langevin dynamics at finite density,''
504   Eur.\ Phys.\ J.\ A {\bf 49} (2013) 89
505   [arXiv:1303.6425 [hep-lat]].
506   %%CITATION = ARXIV:1303.6425;%%
507   %6 citations counted in INSPIRE as of 21 Oct 2013
508 %
509   M.~Cristoforetti, F.~Di Renzo, A.~Mukherjee and L.~Scorzato,
510   %``Monte Carlo simulations on the Lefschetz thimble: taming the sign problem,''
511   Phys.\ Rev.\ D {\bf 88} (2013) 051501
512   [arXiv:1303.7204 [hep-lat]].
513   %%CITATION = ARXIV:1303.7204;%%
514   %4 citations counted in INSPIRE as of 21 Oct 2013
515 %
516   J.~Bloch,
517   %``A subset solution to the sign problem in simulations at non-zero chemical potential,''
518   J.\ Phys.\ Conf.\ Ser.\  {\bf 432} (2013) 012023.
519   %%CITATION = 00462,432,012023;%%
520 %
521   M.~Fromm, J.~Langelage, S.~Lottini, O.~Philipsen,
522   %``The QCD deconfinement transition for heavy quarks and all baryon chemical potentials,''
523   JHEP {\bf 1201} (2012) 042.
524   %  [arXiv:1111.4953 [hep-lat]].
525   %%CITATION = ARXIV:1111.4953;%%
526 %  
527   M.~Fromm, J.~Langelage, S.~Lottini, M.~Neuman, O.~Philipsen,
528   %``The silver blaze property for QCD with heavy quarks from the lattice,''
529   Phys.\ Rev.\ Lett. 110 (2013) 122001.
530   %%CITATION = ARXIV:1207.3005;%%
531   
532   
533 \bibitem{dual}
534   A.~Patel, Nucl.~Phys. B {\bf 243} (1984) 411;
535   Phys.\ Lett.\  B {\bf 139} (1984) 394.
536   %
537   T.~DeGrand and C.~DeTar, 
538   Nucl.\ Phys.\  B {\bf 225} (1983) 590. 
539   %   
540   J.~Condella and C.~DeTar,
541   %``Potts flux tube model at nonzero chemical potential,''
542   Phys.\ Rev.\  D {\bf 61} (2000) 074023,
543   [arXiv:hep-lat/9910028].
544   %%CITATION = PHRVA,D61,074023;%%
545 %
546   C.~Gattringer and T.~Kloiber,
547   %``Spectroscopy in finite density lattice field theory: An exploratory study in the relativistic Bose gas,''
548   Phys.\ Lett.\ B {\bf 720} (2013) 210
549   [arXiv:1212.3770 [hep-lat]].
550   %%CITATION = ARXIV:1212.3770;%%
551   %2 citations counted in INSPIRE as of 21 Oct 2013
552 %
553   T.~Sterling, J.~Greensite,
554   %``Portraits Of The Flux Tube In Qed In Three-dimensions: A Monte Carlo Simulation With External Sources,''
555   Nucl.\ Phys.\ B {\bf 220} (1983) 327.
556   %%CITATION = NUPHA,B220,327;%%
557 %
558   M.~Panero,
559   %``A Numerical study of confinement in compact QED,''
560   JHEP {\bf 0505} (2005) 066.
561   %[hep-lat/0503024].
562   %%CITATION = HEP-LAT/0503024;%%
563 %
564   V.~Azcoiti, E.~Follana, A.~Vaquero, G.~Di Carlo,
565   %``Geometric Algorithm for Abelian-Gauge Models,''
566   JHEP {\bf 0908} (2009) 008.
567 %  [arXiv:0905.0639 [hep-lat]].
568   %%CITATION = ARXIV:0905.0639;%%
569 %
570   T.~Korzec, U.~Wolff,
571   %``A worm-inspired algorithm for the simulation of Abelian gauge theories,''
572   PoS LATTICE {\bf 2010} (2010) 029.
573   %[arXiv:1011.1359 [hep-lat]].
574   %%CITATION = ARXIV:1011.1359;%%
575 %
576   P.N.~Meisinger, M.C.~Ogilvie,
577   %``The Sign Problem, PT Symmetry and Abelian Lattice Duality,''
578   arXiv:1306.1495 [hep-lat].
579   %%CITATION = ARXIV:1306.1495;%%
580   
581 \bibitem{prl}
582   Y.~D.~Mercado, C.~Gattringer and A.~Schmidt,
583   %``Dual lattice simulation of the U(1) gauge-Higgs model at finite density - an exploratory proof-of-concept study,''
584   Phys.\ Rev.\ Lett.\  {\bf 111} (2013) 141601
585   [arXiv:1307.6120 [hep-lat]].
586   %%CITATION = ARXIV:1307.6120;%%
587   
588 \bibitem{z3}
589   C.~Gattringer and A.~Schmidt,
590   %``Gauge and matter fields as surfaces and loops - an exploratory lattice study of the Z(3) Gauge-Higgs model,''
591   Phys.\ Rev.\ D {\bf 86} (2012) 094506
592   [arXiv:1208.6472 [hep-lat]].
593   %%CITATION = ARXIV:1208.6472;%%
594   %8 citations counted in INSPIRE as of 21 Oct 2013
595   
596 \bibitem{swa}
597   Y.~D.~Mercado, C.~Gattringer and A.~Schmidt,
598   %``Surface worm algorithm for abelian Gauge-Higgs systems on the lattice,''
599   Comput.\ Phys.\ Commun.\  {\bf 184} (2013) 1535
600   [arXiv:1211.3436 [hep-lat]].
601   %%CITATION = ARXIV:1211.3436;%%
602   %6 citations counted in INSPIRE as of 21 Oct 2013
603
604 \bibitem{worm}
605   N.~Prokof'ev and B.~Svistunov,
606   %``Worm Algorithms for Classical Statistical Models,''
607   Phys.\ Rev.\ Lett.\  {\bf 87} (2001) 160601.
608   %%CITATION = PRLTA,87,160601;%%
609
610 \bibitem{LuWe}
611 M.~L\"uscher, P.~Weisz,  Nucl.\ Phys.\ B {\bf 290} (1987) 25;
612 Nucl.\ Phys.\ B {\bf 295} (1988) 65;
613 Nucl.\ Phys.\ B {\bf 318} (1989) 705.
614
615 \bibitem{DeGaSch1} 
616   Y.~D.~Mercado, C.~Gattringer, A.~Schmidt,
617   %``Surface worm algorithm for abelian Gauge-Higgs systems on the lattice,''
618   Comp.\ Phys.\ Comm.\  {\bf 184}, 1535 (2013).
619   %[arXiv:1211.3436 [hep-lat]].
620   %%CITATION = ARXIV:1211.3436;%%
621   %5 citations counted in INSPIRE as of 16 Jul 2013
622
623 \bibitem{Lang}
624  K.~Jansen, J.~Jersak, C.B.~Lang, T.~Neuhaus, G.~Vones,
625   %``Phase Structure Of Scalar Compact Qed,''
626   Nucl.\ Phys.\ B {\bf 265} (1986) 129;
627   %%CITATION = NUPHA,B265,129;%%
628   % K.~Jansen, J.~Jersak, C.~B.~Lang, T.~Neuhaus and G.~Vones,
629   %``Phase Structure Of U(1) Gauge - Higgs Theory On D = 4 Lattices,''
630   Phys.\ Lett.\ B {\bf 155} (1985) 268.
631   %%CITATION = PHLTA,B155,268;%%
632   K.~Sawamura, T.~Hiramatsu, K.~Ozaki, I.~Ichinose,
633   %``Four-dimensional CP1 + U(1) lattice gauge theory for 3D antiferromagnets: Phase structure, gauge bosons and spin liquid,''
634   arXiv:0711.0818 [cond-mat.str-el].
635   %%CITATION = ARXIV:0711.0818;%% 
636   
637 \bibitem{cohen}
638 T.D.~Cohen,
639   %``Functional integrals for QCD at nonzero chemical potential and zero density,''
640   Phys.\ Rev.\ Lett.\  {\bf 91} (2003) 222001.
641   %[hep-ph/0307089].
642   %%CITATION = HEP-PH/0307089;%%
643
644 \end{thebibliography}
645
646 \end{document}