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Reinserted latest version of Ydalia's plots.
[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 flavor scalar electrodynamics at finite chemical potential}
10
11 \ShortTitle{Solving the sign problem of  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 flavor  scalar electrodynamics on the lattice, which has a 
28 complex phase problem at finite chemical potential. By rewriting the action 
29 in terms of dual variables this complex phase problem can be solved exactly. 
30 The dual variables are link- and plaquette occupation numbers, subject to local
31 constraints that have to be respected by the Monte Carlo algorithm. 
32 For the simulation we use a local update as well as the newly developed
33 ``surface worm algorithm'', which is a generalization of the Prokof'ev Svistunov 
34 worm algorithm concept for simulating the dual representation of abelian 
35 Gauge-Higgs models on a lattice. We assess the performance of the two algorithms, 
36 present results for the phase diagram 
37 and discuss condensation phenomena.}
38
39 \FullConference{XXIX International Symposium on Lattice Field Theory \\
40                  July 29 $-$ August 03 2013\\
41                  Mainz, Germany}
42  
43 \begin{document}
44
45 \section{Motivation}
46
47 At finite chemical potential $\mu$ the fermion determinant of QCD becomes complex
48 and can not be interpreted as a probability weight in a Monte Carlo simulation.
49 This so-called "complex phase problem" or "sign problem" has considerably 
50 slowed down the exploration of QCD at finite density using lattice methods.  
51 Although a lot of effort has been put into solving the complex phase problem of 
52 QCD (see, e.g., \cite{reviews} for recent reviews), the final goal of a proper ab-initio 
53 simulation of lattice QCD at finite density has not been achieved yet.
54
55 For some models, as well as for QCD in limiting cases, it is possible to deal with the complex phase 
56 problem (see, e.g., \cite{solve-sign-problem}) with different techniques. Here we use a dual 
57 representation, i.e., a reformulation of the system with new degrees of freedom,
58 which has been shown to be a very powerful method that can solve the complex 
59 phase problem of different models \cite{dual} without making any approximation of the partition sum.  
60 In the following we present another example where the dual representation can be applied successfully.  
61 We consider scalar QED with two flavors, i.e., a compact U(1) gauge field coupled to two complex scalar 
62 fields with opposite charge and a quartic self interaction \cite{prl}. We explore the full phase diagram as a 
63 function of the inverse gauge coupling and the mass parameter,  and present some results at finite $\mu$.
64
65 After mapping the degrees of freedom of the system to the dual variables, the weight in the 
66 partition sum is positive and real and usual Monte Carlo techniques can be applied.  However, 
67 the dual variables, links and plaquettes for this model, are subject to non-trivial constraints.
68 Therefore one has to choose a proper algorithm in order to sample the system efficiently.  In our case, we have
69 used two different Monte Carlo algorithms:  A local update algorithm \cite{z3} and an extension \cite{swa} of the
70 Prokof'ev Svistunov worm algorithm \cite{worm}. In addition to discussing the physics of the model, we also present
71 a comparison of the performance of the two algorithms 
72  
73  
74 \section{Scalar electrodynamics}
75  
76 In the conventional representation two flavor scalar electrodynamics is a model of two flavors of 
77 oppositely charged complex fields $\phi_x, \chi_x \in \mathds{C}$ living on the 
78 sites $x$ of the lattice, interacting via the gauge fields $U_{x,\sigma} \in$ U(1) sitting on the links. 
79 We use 4-d euclidean lattices of size $V_4 = N_s^3 \times N_t$ with periodic 
80 boundary conditions for all directions. The lattice spacing is set to 1, i.e., all dimensionful quantities 
81 are in units of the lattice spacing. 
82
83 We write the action as the sum, $S = S_U + S_\phi + S_\chi$, where $S_U$ is the gauge action 
84 and $S_\phi$ and $S_\chi$ are the actions for the two scalars. For the gauge action we use 
85 Wilson's form
86 \begin{equation} 
87 S_U \; = \; - \beta \, \sum_x \sum_{\sigma < \tau} \mbox{Re} \; U_{x,\sigma} U_{x+\widehat{\sigma}, \tau}
88 U_{x+\widehat{\tau},\sigma}^\star U_{x,\tau}^\star \; .
89 \label{gaugeaction}
90 \end{equation}
91 The sum runs over all plaquettes, $\widehat{\sigma}$ and $\widehat{\tau}$ denote the unit vectors in $\sigma$- and 
92 $\tau$-direction and the asterisk is used for complex conjugation.  
93 The action for the field $\phi$ is 
94 \begin{equation}
95 S_\phi   
96 \; =   \sum_x \!\Big(  M_\phi^2 \, |\phi_x|^2  + \lambda_\phi |\phi_x|^4  -
97 \sum_{\nu = 1}^4 \!
98 \big[  e^{-\mu_\phi  \delta_{\nu, 4} } \, \phi_x^\star \, U_{x,\nu} \,\phi_{x+\widehat{\nu}} 
99 \, + \, 
100 e^{\mu_\phi \delta_{\nu, 4}} \, \phi_x^\star \, 
101 U_{x-\widehat{\nu}, \nu}^\star \, \phi_{x-\widehat{\nu}}  \big] \!  \Big) .
102 \label{matteraction}  
103 \end{equation}
104 By $M_\phi^2$  we denote the combination $8 + m_\phi^2$, where $m_\phi$ is the bare mass
105 parameter of the field $\phi$ and $\mu_\phi$ is the chemical potential, which favors forward
106 hopping in time-direction (= 4-direction). We also allow for a quartic self interaction of the scalar fields and 
107 the corresponding coupling is denoted as $\lambda_\phi$. Note that for $\mu_\phi \neq 0$ (\ref{matteraction}) 
108 is complex, i.e., in the conventional form  the theory has a complex action problem.
109
110 The action for the field $\chi$ has the same form as (\ref{matteraction}) but with complex conjugate link 
111 variables $U_{x,\nu}$ such that $\chi$ has opposite charge.  $M_\chi^2$, $\mu_\chi$ and $\lambda_\chi$  
112 are used for the parameters of $\chi$. 
113
114 The partition sum $Z = \int D[U] D[\phi,\chi] e^{-S_U - S_\chi - S_\phi}$  is obtained by
115 integrating the Boltzmann factor over all field configurations. The measures are products over
116 the measures for each individual degree of freedom.
117
118
119
120 \vskip2mm
121 \noindent  
122 {\bf Dual representation:} A detailed derivation of the dual representation for the one flavor
123 model is given in \cite{swa} and the two flavor version we consider here simply uses two copies
124 of the representation of the matter fields. The dual variables for the first flavor will be denoted by 
125 $j_{x,\nu},  \overline{j}_{x,\nu}$, while $l_{x,\nu}$ and $\overline{l}_{x,\nu}$ are used for the second flavor.
126 The dual representation of the partition sum for scalar QED 
127 with two flavors of matter fields is given by
128 \begin{equation}
129 \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] 
130 \; {\cal W}_\phi \big[j,\overline{j}\,\big] \, {\cal W}_\chi \big[l,\overline{l}\,\big]  .
131 \label{Zfinal}
132 \end{equation} 
133 The sum runs over all configurations of the dual variables: The occupation numbers 
134 $p_{x,\sigma\tau} \in \mathds{Z}$ assigned to the plaquettes of the lattice and the flux variables  $j_{x,\nu},  l_{x,\nu} \in \mathds{Z}$ and
135 $\overline{j}_{x,\nu},  \overline{l}_{x,\nu} \in \mathds{N}_0$ living on the links. The flux variables $j$ and $l$ are subject
136 to the constraints ${\cal C}_s$,
137 \begin{equation}
138  {\cal C}_s [j] \, = \, \prod_x \delta \! \left( \sum_\nu \partial_\nu j_{x,\nu}  \right)\;  , \; \;
139  {\cal C}_s [l] \, = \, \prod_x \delta \! \left( \sum_\nu \partial_\nu l_{x,\nu}  \right) , \;
140 \label{loopconstU1}
141 \end{equation}
142 which enforce the conservation of $j$-flux and of $l$-flux at each site of the lattice
143 (here $\delta(n)$ denotes the Kronecker delta $\delta_{n,0}$ and $\partial_\nu f_x \equiv 
144 f_x - f_{x-\widehat{\nu}}$).
145 Another constraint,
146 \begin{equation}
147  {\cal C}_g [p,j,l]  \! =\!  \prod_{x,\nu} \! \delta  \Bigg( \!\sum_{\nu < \alpha}\! \partial_\nu p_{x,\nu\alpha}  
148 - \!\sum_{\alpha<\nu}\! \partial_\nu p_{x,\alpha\nu} + j_{x,\nu} - l_{x,\nu} \! \Bigg)\! ,
149 \label{plaqconstU1}  
150 \end{equation}
151 connects the plaquette occupation numbers $p$ with the $j$- and $l$-variables. 
152 At every link it enforces the combined flux of the plaquette occupation 
153 numbers  plus the difference of $j$- and $l$-flux residing on that link to vanish.  The
154 fact that $j$- and $l$-flux enter with opposite sign is due to the opposite charge of the two 
155 flavors.
156
157 The constraints (\ref{loopconstU1}) and (\ref{plaqconstU1}) restrict the admissible
158 flux and plaquette occupation numbers giving rise to an interesting geometrical
159 interpretation: The $j$- and $l$-fluxes form closed oriented loops made of links. The integers
160 $j_{x,\nu}$ and $l_{x,\nu}$ determine how often a link is run through by loop segments, with negative
161 numbers indicating net flux in the negative direction. The flux conservation 
162 (\ref{loopconstU1}) ensures that only closed loops appear. Similarly, the constraint 
163 (\ref{plaqconstU1}) for the plaquette occupation numbers can be seen as a continuity
164 condition for surfaces made of plaquettes. The surfaces are either closed
165 surfaces without boundaries or open surfaces bounded by  $j$- or $l$-flux.
166
167 The configurations of plaquette occupation numbers and fluxes in (\ref{Zfinal}) come with 
168 weight factors 
169 \begin{eqnarray}
170 {\cal W}_U[p] & = & \!\! \! \prod_{x,\sigma < \tau} \! \! \!
171  I_{p_{x,\sigma\tau}}(\beta) \, ,
172 \\   
173 {\cal W}_\phi \big[j,\overline{j}\big] & = & 
174 \prod_{x,\nu}\! \frac{1}{(|j_{x,\nu}|\! +\! \overline{j}_{x,\nu})! \, 
175 \overline{j}_{x,\nu}!} 
176 \prod_x e^{-\mu j_{x,4}}  P_\phi \left( f_x \right) ,
177 \nonumber
178 \end{eqnarray}
179 with 
180 \begin{equation}
181 f_x \; = \; \sum_\nu\!\big[ |j_{x,\nu}|\!+\!  |j_{x-\widehat{\nu},\nu}|  \!+\!
182 2\overline{j}_{x,\nu}\! +\! 2\overline{j}_{x-\widehat{\nu},\nu} \big] \; ,
183 \end{equation}
184 which is an even number. The $I_p(\beta)$
185 in the weights  ${\cal W}_U$ are the modified Bessel functions and the $P_\phi (2n)$ in 
186 ${\cal W}_\phi$  are the integrals
187 \begin{equation}
188 P_\phi (2n)  \; = \;  \int_0^\infty dr \, r^{2n+1}
189 \,  e^{-M_\phi^2\, r^2 - \lambda_\phi r^4} = \sqrt{\frac{\pi}{16 \lambda}}  \, \left(\frac{-\partial}{\partial M^2}\right)^{\!n} \;  
190 e^{\, M^4 / 4 \lambda} \left[1- erf(M^2/2\sqrt{\lambda})\right] \; .
191 \end{equation}
192 These integrals are related to derivatives of the error function and we evaluate them numerically and
193 pre-store them for the Monte Carlo simulation. The weight factors $ {\cal
194 W}_\chi$ are the same as the $ {\cal W}_\phi$, only  the parameters $M_\phi^2$,
195 $\lambda_\phi$, $\mu_\phi$ are replaced by  $M_\chi^2$, $\lambda_\chi$, $\mu_\chi$. All
196 weight factors are real and positive and the partition sum (\ref{Zfinal}) thus  is
197 accessible  to Monte Carlo techniques,  using the plaquette occupation numbers and the
198 flux variables as the new degrees of freedom. 
199
200
201 \section{Monte Carlo simulation}
202  
203 Because the dual variables are subject to non-trivial constraints, they cannot be modified randomly during 
204 the update. Here we use two strategies: A local update, referred to as LMA (local Metropolis algorithm),
205 which consists of three types of steps: Steps where we change plaquettes bounded by matter flux,  steps where 
206 we change the plaquettes on 3-cubes, and steps where we propose double lines of matter flux around the temporal 
207 direction. These changes are built such that the constraints remain intact for each individual step and the 
208 tests of the LMA are reported in \cite{prl,z3,swa}.  
209
210 Another possibility is to use an extension of the worm
211 algorithm \cite{worm}, the so called surface worm algorithm \cite{swa}, which we refer to as SWA. Here initially 
212 the constraints are violated at a single link and the SWA subsequently propagates this defect on the lattice 
213 until the defect is healed in a final step. For both the LMA and the SWA the unconstrained $\overline{l}$ and 
214 $\overline{j}$ variables are updated with conventional Metropolis steps. 
215 Here we present results for both algorithms and
216 assess their performance.
217
218 \subsection{Local Metropolis algorithm LMA}
219 Let us begin by describing the LMA. It consists of the following update steps:
220 \begin{itemize}
221 \vspace*{-1mm}
222 \item A sweep for each unconstrained variable $\overline{l}$ and $\overline{j}$ 
223 raising or lowering their occupation number by one unit.
224 %
225 \vspace*{-1mm}
226 \item ``Plaquette update'': 
227 It consists of increasing or decreasing a plaquette occupation number
228 $p_{x,\nu\rho}$ and
229 the link fluxes (either $j_{x,\sigma}$ or $l_{x,\sigma}$) at the edges of $p_{x,\nu\rho}$ by $\pm 1$ as 
230 illustrated in Fig.~\ref{plaquette}. The change of $p_{x, \nu \rho}$ 
231 by $\pm 1$ is indicated by the signs $+$ or $-$, while the flux variables $j$ ($l$) are denoted by the thin red line
232 (fat blue lines for the second flavor) and we use a dashed line to indicate a decrease by $-1$ and a full line 
233 for an increase by $+1$.
234 %
235 \vspace*{-1mm}
236 \item ``Winding loop update'': 
237 It consists of increasing or decreasing the occupation number of both link variables $l$ and $j$ by 
238 one unit along a winding loop in any of the 4 directions.  This update is very important because the winding loops
239 in time direction are the only objects that couple to the chemical potential.
240 %
241 \vspace*{-1mm}
242 \item ``Cube update'':  The plaquettes of 3-cubes
243 of our 4-d lattice are changed according to one of the two patterns illustrated in 
244 Fig.~\ref{cube}. 
245 Although the plaquette and winding loop update are enough to satisfy ergodicity, 
246 the cube update helps for decorrelation in the region of 
247 parameters where the system is dominated by closed surfaces, i.e., where the link
248 acceptance rate is small.
249 \end{itemize}
250 \vspace*{-1mm}
251 A full sweep consists of updating all links, plaquettes, 3-cubes and winding loops on the lattice,
252 offering one of the changes mentioned above and accepting them with the Metropolis 
253 probability computed from the local weight factors.
254
255 \begin{figure}[h]
256 \begin{center}
257 \includegraphics[width=\textwidth,clip]{pics/plaquettes}
258 \end{center}
259 \vspace{-4mm}
260 \caption{Plaquette update: A plaquette occupation number is changed by $+1$ or
261 $-1$ and the links $j$ (thin red links) or $l$ (fat blue links) of the plaquette are changed simultaneously. The
262 full line indicates an increase by +1 and a dashed line a decrease by $-1$. 
263 The directions $1 \le \nu_1 < \nu_2 \le 4$
264 indicate the plane of the plaquette.} \label{plaquette}
265 \vspace{-2mm}
266 \end{figure}
267
268 \begin{figure}[h]
269 \begin{center}
270 \includegraphics[width=0.7\textwidth,clip]{pics/cubes}
271 \end{center}
272 \vspace{-4mm}
273 \caption{Cube update: Here we show the two possible changes in the plaquette occupation numbers on a 3-cube. 
274 The edges of the 3-cube are parallel to the directions $1 \leq \nu_1 < \nu_2 < \nu_3 \leq 4$.} \label{cube}
275 \vspace*{-2mm}
276 \end{figure}
277
278 \subsection{Surface worm algorithm SWA}
279  
280 Instead of the LMA we can use a generalization of the the worm algorithm, the SWA.
281 Here we only shortly describe the SWA and refer to  \cite{swa} for a detailed description.
282
283 The SWA is constructed by breaking up the smallest update elements of the LMA, i.e., the plaquette updates, 
284 into smaller building blocks called ``segments'' (examples are shown in Fig.~\ref{segments}), used to build 
285 larger surfaces on which the flux and plaquette variables are changed. In the SWA the constraints are temporarily 
286 violated at a link $L_V$, the head of the worm, and the two sites at its endpoints. The SWA then transports this defect on the
287 lattice until it closes with a final step that heals the constraint.
288 The admissible configurations are generated using 3 elements:
289
290 \begin{enumerate}
291
292 \item The worm starts by changing either the $l$ or the $j$  flux by $\pm 1$ at 
293 a randomly chosen link (step 1 in Fig.~\ref{worm} where a worm for $j$ fluxes starts).
294
295 \item The first link becomes the head of the worm $L_V$.
296 The defect at $L_V$ is then propagated through the lattice by 
297 attaching segments of the same kind of flux ($j$ or $l$) as the first segment, 
298 which are chosen in such a way that the constraints are always 
299 obeyed at the link where the next segment is attached (step 2 in Fig.~\ref{worm}).
300
301 \item Attaching segments the defect is propagated through the lattice until the worm decides to
302 end with the insertion of another unit of link flux at $L_V$ (step 3 in Fig.~\ref{worm}) to heal the violated constraint.
303  
304 \end{enumerate}
305 A full sweep consists of $V_4$ worms with $l$ fluxes and $V_4$ worms with $j$ fluxes, 
306 plus a sweep of the unconstrained 
307 variables $\overline{l}$ and $\overline{j}$,
308 and a sweep of winding loops (as explained for the LMA).
309
310 \begin{figure}[h]
311 \begin{center}
312 \includegraphics[width=\textwidth,clip]{pics/segments}
313 \end{center}
314 \vspace{-4mm}
315 \caption{Examples of segments for the links $j$ (lhs.) and $l$ (rhs.) 
316 in the $\nu_1$-$\nu_2$-plane ($\nu_1 < \nu_2$).
317 The plaquette occupation numbers are changed as indicated by the signs. 
318 The full (dashed) links are changed by $+1$ ($-1$). The empty link shows
319 where the segment is attached to the worm and the dotted link is the new position of the link
320 $L_V$ where the constraints are violated.} \label{segments}
321 \vspace{-2mm}
322 \end{figure}
323
324 \begin{figure}[h]
325 \begin{center}
326 \includegraphics[width=\textwidth,clip]{pics/worm}
327 \end{center}
328 \vspace{-4mm}
329 \caption{A simple example for an update with the surface worm algorithm.  
330 See the text for a detailed explanation of the steps involved.} \label{worm}
331 \vspace{-2mm}
332 \end{figure} 
333
334
335 \section{Results}
336 \vspace{-1mm}
337 \noindent
338 In this section we discuss the results from the numerical analysis.  We first show 
339 an assessment of both algorithms and compare their performance. Subsequently 
340 we discuss the physics of scalar QED at finite density and present the phase diagram.  
341 In both cases we use thermodynamical observables and their fluctuations. In particular 
342 we use the following observables which can be evaluated as simple derivatives of 
343 $\ln Z$ in both the conventional and the dual representations:  
344
345 \vskip5mm
346 \noindent
347 The first and second derivatives with respect to the inverse gauge coupling $\beta$, i.e., 
348 the plaquette expectation value and its susceptibility,
349
350 \begin{equation}
351 \langle U \rangle = \frac{1}{6 N_s^3 N_t}\frac{\partial}{\partial \beta} \ln\ Z\quad , \quad
352 \chi_{U} = \frac{1}{6 N_s^3 N_t}\frac{\partial^2}{\partial \beta^2} \ln\ Z\ .
353 \end{equation}
354
355 \noindent We also consider the particle number density $n$ 
356 and its susceptibility which are the first and second derivatives 
357 with respect to the chemical potential,
358
359 \begin{equation}
360 \langle n \rangle  = \frac{1}{N_s^3 N_t}\frac{\partial}{\partial \mu} \ln\ Z\quad , \quad
361 \chi_{n} = \frac{1}{N_s^3 N_t}\frac{\partial^2}{\partial \mu^2} \ln\ Z\ .
362 \end{equation}
363
364 \noindent Finally, we analyze the derivatives with respect to $M^2$,
365
366 \begin{equation}
367 \langle |\phi|^2 \rangle = \frac{1}{N_s^3 N_t}\frac{\partial}{\partial M^2} \ln\ Z\quad , \quad
368 \chi_{|\phi|^2} = \frac{1}{N_s^3 N_t}\frac{\partial^2}{\partial (M^2)^2} \ln\ Z\ .
369 \end{equation}
370
371 \subsection{Assessment of the LMA and SWA algorithms}
372 \noindent
373 For the comparison of our two algorithms we considered the U(1) gauge-Higgs model coupled
374 with one (see \cite{swa}) and two scalar fields (as described here).  
375 First we checked the correctness of the SWA comparing the results for different 
376 lattices sizes and parameters.  Examples for the one flavor model were presented  
377 in \cite{swa}. 
378
379 In Fig.~\ref{obs} we now show some examples for the two flavor case. The top figures 
380 of Fig.~\ref{obs} show 
381 $\langle |\phi|^2 \rangle$ (lhs.) and the corresponding susceptibility (rhs.) as a function of 
382 $\mu_\phi = \mu_\chi = \mu$ at $\beta = 0.85$ and 
383 $M_\phi^2 = M_\chi^2 = M^2  = 5.325$ on a lattice of size $12^3 \times 60$.  This point is located
384 in the Higgs phase and does not show any phase transition as a function of $\mu$.  The bottom
385 plots show the particle number $\langle n \rangle$ (lhs.) and its susceptibility (rhs.) as a function of $\mu$
386 for $\beta = 0.75$ and $M^2 = 5.73$ on a lattice of volume $12^3 \times 60$.  Here we observe
387 a  pronounced first order transition from the confining phase into the Higgs phase. 
388 It is obvious that in all four plots the agreement between the results from the LMA and from the 
389 SWA is excellent.
390
391 \begin{figure}[h]
392 \begin{center}
393 \hbox{\includegraphics[width=\textwidth,clip]{pics/aphi}}
394 \vskip5mm
395 \hbox{\hspace{4mm}\includegraphics[width=0.97\textwidth,clip]{pics/bn}}
396 \end{center}
397 \vspace{-6mm}
398 \caption{Observables for the two flavor model as a function of $\mu$ for different 
399 parameters on a $12^3 \times 60$ lattice.
400 We compare results from the SWA (circles) and the LMA (triangles).} \label{obs}
401 \vspace*{-2mm}
402 \end{figure}
403
404 \noindent
405 In order to obtain a measure of the computational effort, in \cite{swa} we compared the normalized 
406 autocorrelation time $\overline{\tau}$ of the SWA and LMA for 
407 the one flavor model for different volumes and parameters.  We concluded that,
408 the SWA outperforms the local update near a phase transition and if
409 the acceptance rate of the constrained link variables is not very low (e.g., lhs.\ of Fig.~\ref{auto}).  
410 On the other hand, for parameter values where the constrained links have a very low acceptance rate 
411 the worm algorithm has difficulties to efficiently sample the 
412 system because it changes the link occupation number in every move, while the LMA has a sweep with only
413 closed surfaces. The plot on the rhs. of Fig.~\ref{auto} shows how $\overline{\tau}$ for
414 $\langle U \rangle$ is larger for the SWA than for the LMA.  We remark however, that this performance issue
415 can be overcome easily by augmenting the SWA with sweeps of cube updates as used in the LMA.
416
417 \begin{figure}[t]
418 \begin{center}
419 \includegraphics[width=\textwidth,clip]{pics/u2}
420 \end{center}
421 \vspace{-4mm}
422 \caption{Normalized autocorrelation times $\overline{\tau}$ for the observables $\langle U \rangle$ and 
423 $\langle |\phi|^2 | \rangle$ for two different sets
424 of parameters for the one flavor model.  Left: Parameter values close to a first order phase transition. 
425 Right: A parameter set characterized by a low acceptance for matter flux.  Both simulations  
426 were done on $16^4$ lattices, with data taken from \cite{swa}.} \label{auto}
427 \vspace*{-2mm}
428 \end{figure}
429
430 \subsection{Physics results}
431 So far one of the main physics results of our studies of 2-flavor scalar QED  
432 (already published in \cite{prl}) is the full phase diagram of the considered 
433 model in the $\beta$-$M^2$ plane (using $M_\phi^2 = M_\chi^2 = M^2$)
434 at $\mu=0$ and the analysis of phase 
435 transitions driven by the chemical potential $\mu_\phi = \mu_\chi = \mu$ 
436 when starting from the different 
437 phases of the model. For the sake of completeness we here again show the 
438 $\mu = 0$ phase diagram, and then present new results for the observables 
439 in the $\beta$-$M^2$ plane at several values of $\mu > 0$, which illustrate the 
440 shift of the phase-boundaries at $\mu >  0$, i.e., the positions of the critical surfaces.
441 In addition we show that some of the transitions at finite $\mu$ can be seen as
442 condensation phenomena of the dual occupation numbers.
443
444 \subsubsection*{Phase diagram at $\mu=0$}
445
446 The results for the phase diagram at $\mu = 0$ are summarized in Fig.~\ref{phasediagram}. The various phase 
447 boundaries were determined from the observables $\langle U \rangle$ and $\langle |\phi|^2 \rangle$ and the 
448 corresponding susceptibilities. We found that the phase boundary separating  Higgs- and
449 confining phase is of strong first order, the line separating confining- and Coulomb phase is  of weak
450 first order, and the boundary between Coulomb- and Higgs phase is a continuous transition. 
451 Our results for the $\mu = 0$ phase diagram are in qualitative
452 agreement with the results for related
453 models \cite{Lang} studied in the conventional formulation.
454
455 \begin{figure}[h]
456 \centering
457 \hspace*{-3mm}
458 \includegraphics[width=85mm,clip]{pics/phasediagram}
459 \caption{Phase diagram in the $\beta$-$M^2$ plane at $\mu = 0$. We show
460 the phase boundaries determined from the maxima of the susceptibilities $\chi_U$ and $\chi_{\phi}$ and the
461 inflection points of $\chi_n$.}
462 \label{phasediagram}
463 \end{figure}
464
465 \begin{figure}[p]
466 \centering
467 \hspace*{-3mm}
468 \includegraphics[width=\linewidth,clip]{pics/muphases}
469 \caption{The observables $\langle U \rangle$, $\langle |\phi|^2 \rangle$, and 
470 $\langle n \rangle$ as a function of $\beta$ and $M^2$ for different chemical 
471 potentials $\mu = 0.0,\,0.5,\,1.0$ and $1.5$. It can be seen how the phase 
472 boundaries shift with increasing chemical potential.}
473 \label{muphases}
474 \end{figure}
475
476 \begin{figure}[t]
477 \centering
478 \hspace*{-3mm}
479 \includegraphics[width=\linewidth,clip]{pics/occutrans_plaq}
480 \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 $16^3\times60$.}
481 \label{occutrans_plaq}
482 \end{figure}
483 \begin{figure}[b]
484 \centering
485 \hspace*{-3mm}
486 \includegraphics[width=\linewidth,clip]{pics/occutrans}
487 \caption{Link occupation numbers $\bar{j}$, $\bar{l}$, $j$, $l$ and plaquette occupation numbers $p$ for values of $\mu$
488 just below (top) and above (bottom) the critical value $\mu_c$ for the transition from the confining- to the Higgs-phase.}
489 \label{occutrans}
490 \end{figure}
491
492
493 \subsubsection*{Phase boundaries at $\mu > 0$}
494
495 As a first step in the determination of the phase boundaries as functions of all three parameters $\beta, \, M^2$ and $\mu$, 
496 in Fig.~\ref{muphases} we plot the observables $\langle U \rangle$, $\langle |\phi|^2 \rangle$ and $\langle n \rangle$ as functions 
497 of $\beta$ and $M^2$ for four different values of the chemical potential $\mu=0.0,\, 0.5,\, 1.0$ and $1.5$.
498
499 The phase-transition from the confining phase to the Coulomb phase shown in Fig.~\ref{phasediagram} 
500 is characterized by a rapid increase of  $\langle U \rangle$ across the transition but does not give rise to 
501 significant changes in the other observables (compare the top row of plots in Fig.~\ref{muphases}). 
502 This behavior persists also at finite $\mu$ and  the 
503 confinement-Coulomb transition can only be seen in the $\langle U \rangle$-plots.
504
505 The transition between the Higgs- and the confinig phase is characterized by a strong first order discontinuity in all observables 
506 (except for $\langle n \rangle = 0$ at $\mu = 0$), a feature that persists for all our values of $\mu$. Also the transition between the Higgs- and the 
507 Coulomb phase is seen in all observables. It is obvious from the plots, that with increasing $\mu$ all three transitions become more pronounced in 
508 all variables they are seen in, and the Higgs-Coulomb transition might even change from crossover to first order. Still, the shown results 
509 have to be considered preliminary and more detailed studies will be necessary to draw final conclusions. 
510
511 \subsubsection*{Dual occupation numbers}
512  
513 The dual reformulation of lattice field theories makes it possible to look at the same physics from a different perspective
514 by studying the dynamics of the dual degrees of freedom instead of the conventional ones. 
515 This being a feature we find especially interesting about the dual formulation, we here present an example where a transition 
516 manifests itself as the condensation of dual variables.
517  
518 Let us first look at the transition using the standard observables. In Fig.~\ref{occutrans_plaq} we 
519 plot the plaquette expectation value $\langle U \rangle$ and the corresponding susceptibility $\chi_U$ 
520 as function of the chemical potential, for two different volumes $12^3\times60$ and $16^3\times60$. 
521 We see that for the larger volume the transition is shifted slightly towards lower chemical potential, 
522 but the volume dependence seems to be reasonably small. The parameters $\beta$ and $M^2$ are 
523 fixed to $\beta=0.75$ and $M^2=5.73$. Increasing the chemical potential takes us from the confining- 
524 to the Higgs phase where we cross the phase boundary 
525 at some critical value of $\mu$, which is $\mu_c\simeq2.65$ 
526 for the larger of the two lattices. Below the critical value of the chemical potential both 
527 $\langle U \rangle$ and $\chi_U$ are independent of $\mu$, which is characteristic for a Silver Blaze type of transition \cite{cohen}.
528 At $\mu_c$ a strong first order transition signals the entry into the Higgs phase.
529  
530 In Fig.~\ref{occutrans} we have a look at the same transition, by now showing typical configurations of the dual variables 
531 just below (top) and above (bottom) the critical chemical potential $\mu_c$.
532 In particular we show snapshots of the occupation numbers of all dual link variables $\bar{j}$, $\bar{l}$, $j$, 
533 $l$ and dual plaquette variables $p$.  Here blue links/plaquettes depict positive occupation numbers, 
534 green links/plaquettes depict negative occupation numbers and links/plaquettes with $0$-occupation 
535 are not shown. It can be seen that below $\mu_c$ links and plaquettes are hardly occupied, 
536 while above $\mu_c$ their occupation is abundant. In that sense the Silver Blaze transition of Fig.~\ref{occutrans_plaq} 
537 can be understood as a condensation phenomenon of the dual variables, which is a new perspective on the underlying 
538 physics we gained from the dual reformulation of the problem.
539
540 \section*{Acknowledgments} 
541 \noindent
542 We thank Hans Gerd Evertz 
543 for numerous discussions that helped to shape this project and for 
544 providing us with the software to compute the autocorrelation times. 
545 We also acknowledge interesting discussions with Thomas Kloiber 
546 on aspects of the dual formulation for charged scalar fields. 
547 This work was supported by the Austrian Science Fund, 
548 FWF, DK {\it Hadrons in Vacuum, Nuclei, and Stars} (FWF DK W1203-N16). Y.~Delgado is supported by
549 the Research Executive Agency (REA) of the European Union 
550 under Grant Agreement number PITN-GA-2009-238353 (ITN STRONGnet) and by {\it Hadron Physics 2}. 
551 Furthermore this work is partly supported by DFG TR55, ``{\sl Hadron Properties from Lattice QCD}'' 
552 and by the Austrian Science Fund FWF Grant.\ Nr.\ I 1452-N27.   
553
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