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Added conventional and dual representation of model.
[phys/proceedings_lattice13.git] / proceed.tex
index 7083dba1f01f47c2d7120b1d9cefc67096f38018..7e187916da9c8a39cafa29657d61642dd4c335d5 100644 (file)
@@ -11,7 +11,7 @@ for finite chemical potential and exploring its full phase-diagram}
 
 \ShortTitle{Solving the sign problem of scalar electrodynamics at final chemical potential}
 
 
 \ShortTitle{Solving the sign problem of scalar electrodynamics at final chemical potential}
 
-\author{\speaker{Ydalia Delgado}
+\author{Ydalia Delgado
 \\Institut f\"ur Physik, Karl-Franzens Universit\"at, Graz, Austria
 \\E-mail: \email{ydalia.delgado-mercado@uni-graz.at}}
 
 \\Institut f\"ur Physik, Karl-Franzens Universit\"at, Graz, Austria
 \\E-mail: \email{ydalia.delgado-mercado@uni-graz.at}}
 
@@ -19,7 +19,7 @@ for finite chemical potential and exploring its full phase-diagram}
 \\Institut f\"ur Physik, Karl-Franzens Universit\"at, Graz, Austria
 \\E-mail: \email{christof.gattringer@uni-graz.at}}
 
 \\Institut f\"ur Physik, Karl-Franzens Universit\"at, Graz, Austria
 \\E-mail: \email{christof.gattringer@uni-graz.at}}
 
-\author{\speaker{Alexander Schmidt}
+\author{Alexander Schmidt
 \\Institut f\"ur Physik, Karl-Franzens Universit\"at, Graz, Austria
 \\E-mail: \email{alexander.schmidt@uni-graz.at}}
 
 \\Institut f\"ur Physik, Karl-Franzens Universit\"at, Graz, Austria
 \\E-mail: \email{alexander.schmidt@uni-graz.at}}
 
@@ -46,23 +46,23 @@ Finally, we determine the full phase diagram of the model.
 \vspace{-1mm}
 \noindent
 At finite chemical potential $\mu$ the fermion determinant becomes complex
 \vspace{-1mm}
 \noindent
 At finite chemical potential $\mu$ the fermion determinant becomes complex
-and cannot be interpreted as a probability weight in the Monte Carlo simulation.
+and can not be interpreted as a probability weight in the Monte Carlo simulation.
 This complex phase problem has slowed down considerably the exploration of QCD
 This complex phase problem has slowed down considerably the exploration of QCD
-at finite density using Lattice QCDl.  Although many efforts have been put into
+at finite density using Lattice QCD.  Although many efforts have been put into
 solving the complex phase problem of QCD (see e.g. \cite{reviews}), the final goal
 has not been achieved yet.
 
 For some models or QCD in limiting cases, it is possible to deal with the complex phase 
 problem (e.g. \cite{solve-sign-problem}).  Among the different techniques, we use the dual representation,
 solving the complex phase problem of QCD (see e.g. \cite{reviews}), the final goal
 has not been achieved yet.
 
 For some models or QCD in limiting cases, it is possible to deal with the complex phase 
 problem (e.g. \cite{solve-sign-problem}).  Among the different techniques, we use the dual representation,
-which has been shown to be a very powerful method that can be solve the solve the complex 
+which has been shown to be a very powerful method that can solve the complex 
 phase problem without making any approximation of the partition sum, i.e. it is an exact method \cite{dual}.  
 phase problem without making any approximation of the partition sum, i.e. it is an exact method \cite{dual}.  
-In this proceedings we present another example where the dual representation can be applied succesfully.  We consider a compact
+In the following we present another example where the dual representation can be applied succesfully.  We consider a compact
 U(1) gauge field coupled with two complex scalar fields with opposite charge. We explore the full phase diagram
 as a function of the gauge coupling, the mass parameter and the chemical potential, which has not yet been studied in detail.
 At finite density we present some preliminary results.
 
 U(1) gauge field coupled with two complex scalar fields with opposite charge. We explore the full phase diagram
 as a function of the gauge coupling, the mass parameter and the chemical potential, which has not yet been studied in detail.
 At finite density we present some preliminary results.
 
-After mapping the degrees of freedom of the system to its dual variables, the terms of the 
-partition sum are positive and real and usual Monte Carlo techniques can be applied.  However, 
+After mapping the degrees of freedom of the system to its dual variables, the weight in the 
+partition sum is positive and real and usual Monte Carlo techniques can be applied.  However, 
 the dual variables, links and plaquettes for this model, are subject to non-trivial constraints.
 Therefore one has to choose a proper algorithm in order to sample the system efficiently.  In our case, we have
 used two different Monte Carlo algorithms:  A local update (LMA) \cite{z3} and an extension \cite{swa} of the
 the dual variables, links and plaquettes for this model, are subject to non-trivial constraints.
 Therefore one has to choose a proper algorithm in order to sample the system efficiently.  In our case, we have
 used two different Monte Carlo algorithms:  A local update (LMA) \cite{z3} and an extension \cite{swa} of the
@@ -72,7 +72,115 @@ some technical comparison of both algorithms in addition to the physics of the m
  
 \section{Two-flavored scalar electrodynamics}
 \vspace{-1mm}
  
 \section{Two-flavored scalar electrodynamics}
 \vspace{-1mm}
-\noindent ?????????????
+\noindent
+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 
+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 
+boundary conditions for all directions. The lattice spacing is set to 1, i.e., all dimensionful quantities 
+are in units of the lattice spacing. Scale setting can be implemented as in any other lattice field theory 
+and issues concerning the continuum behavior are, e.g., discussed in \cite{LuWe}.
+We write the action as the sum, 
+$S = S_U + S_\phi + S_\chi$, where $S_U$ is the gauge action and $S_\phi$ and $S_\chi$ are the actions for the two scalars. 
+For the gauge action we use 
+Wilson's form
+\begin{equation} 
+S_U \; = \; - \beta \, \sum_x \sum_{\sigma < \tau} \mbox{Re} \; U_{x,\sigma} U_{x+\widehat{\sigma}, \tau}
+U_{x+\widehat{\tau},\sigma}^\star U_{x,\tau}^\star \; .
+\label{gaugeaction}
+\end{equation}
+The sum runs over all plaquettes, $\widehat{\sigma}$ and $\widehat{\tau}$ denote the unit vectors in $\sigma$- and 
+$\tau$-direction and the asterisk is used for complex conjugation.  
+The action for the field $\phi$ is 
+\begin{eqnarray}
+&& \qquad S_\phi   
+=  \! \sum_x \!\Big(  M_\phi^2 \, |\phi_x|^2  + \lambda_\phi |\phi_x|^4  -
+\label{matteraction} \\
+&& \sum_{\nu = 1}^4 \!
+\big[  e^{-\mu_\phi  \delta_{\nu, 4} } \, \phi_x^\star \, U_{x,\nu} \,\phi_{x+\widehat{\nu}} 
+\, + \, 
+e^{\mu_\phi \delta_{\nu, 4}} \, \phi_x^\star \, 
+U_{x-\widehat{\nu}, \nu}^\star \, \phi_{x-\widehat{\nu}}  \big] \!  \Big) .
+\nonumber
+\end{eqnarray}
+By $M_\phi^2$  we denote the combination $8 + m_\phi^2$, where $m_\phi$ is the bare mass
+parameter of the field $\phi$ and $\mu_\phi$ is the chemical potential, which favors forward
+hopping in time-direction (= 4-direction). The coupling for the quartic term is denoted as 
+$\lambda_\phi$. The action for the field $\chi$ has the same form as
+(\ref{matteraction}) but with complex conjugate link variables $U_{x,\nu}$ such that $\chi$ has
+opposite charge.  $M_\chi^2$, $\mu_\chi$ and $\lambda_\chi$  are used for the parameters of $\chi$. 
+
+The partition sum $Z = \int D[U] D[\phi,\chi] e^{-S_U - S_\chi - S_\phi}$  is obtained by
+integrating the Boltzmann factor over all field configurations. The measures are products over
+the measures for each individual degree of freedom.
+
+Note that for $\mu_\phi \neq 0$ (\ref{matteraction}) is complex, i.e., in the
+conventional form  the theory has a complex action problem.
+
+
+\vskip2mm
+\noindent  
+{\bf Dual representation:} A detailed derivation of the dual representation for the 1-flavor
+model is given in \cite{DeGaSch1} and the generalization to two flavors is straightforward.
+The final result 
+for the dual representation of the partition sum for the gauge-Higgs model with two flavors is
+\begin{equation}
+\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] 
+\; {\cal W}_\phi \big[j,\overline{j}\,\big] \, {\cal W}_\chi \big[l,\overline{l}\,\big]  .
+\label{Zfinal}
+\end{equation} 
+The sum runs over all configurations of the dual variables: The occupation numbers 
+$p_{x,\sigma\tau} \in \mathds{Z}$ assigned to the plaquettes of the lattice and the flux variables  $j_{x,\nu},  l_{x,\nu} \in \mathds{Z}$ and
+$\overline{j}_{x,\nu},  \overline{l}_{x,\nu} \in \mathds{N}_0$ living on the links. The flux variables $j$ and $l$ are subject
+to the constraints ${\cal C}_s$ (here $\delta(n)$ denotes the Kronecker delta $\delta_{n,0}$ and $\partial_\nu f_x \equiv 
+f_x - f_{x-\widehat{\nu}}$)
+\begin{equation}
+ {\cal C}_s [j] \, = \, \prod_x \delta \! \left( \sum_\nu \partial_\nu j_{x,\nu}  \right) , \;
+\label{loopconstU1}
+\end{equation}
+which enforce the conservation of $j$-flux and of $l$-flux at each site of the lattice.
+Another constraint,
+\begin{equation}
+ {\cal C}_g [p,j,l]  \! =\!  \prod_{x,\nu} \! \delta  \Bigg( \!\sum_{\nu < \alpha}\! \partial_\nu p_{x,\nu\alpha}  
+- \!\sum_{\alpha<\nu}\! \partial_\nu p_{x,\alpha\nu} + j_{x,\nu} - l_{x,\nu} \! \Bigg)\! ,
+\label{plaqconstU1}  
+\end{equation}
+connects the plaquette occupation numbers $p$ with the $j$- and $l$-variables. 
+At every link it enforces the combined flux of the plaquette occupation 
+numbers  plus the difference of $j$- and $l$-flux residing on that link to vanish. 
+
+The constraints (\ref{loopconstU1}) and (\ref{plaqconstU1}) restrict the admissible
+flux and plaquette occupation numbers giving rise to an interesting geometrical
+interpretation: The $j$- and $l$-fluxes form closed oriented loops made of links. The integers
+$j_{x,\nu}$ and $l_{x,\nu}$ determine how often a link is run through by loop segments, with negative
+numbers indicating net flux in the negative direction. The flux conservation 
+(\ref{loopconstU1}) ensures that only closed loops appear. Similarly, the constraint 
+(\ref{plaqconstU1}) for the plaquette occupation numbers can be seen as a continuity
+condition for surfaces made of plaquettes. The surfaces are either closed
+surfaces without boundaries or open surfaces bounded by  $j$- or $l$-flux.
+
+The configurations of plaquette occupation numbers and fluxes in (\ref{Zfinal}) come with 
+weight factors 
+\begin{eqnarray}
+{\cal W}_U[p] & = & \!\! \! \prod_{x,\sigma < \tau} \! \! \!
+ I_{p_{x,\sigma\tau}}(\beta) \, ,
+\\   
+{\cal W}_\phi \big[j,\overline{j}\big] & = & 
+\prod_{x,\nu}\! \frac{1}{(|j_{x,\nu}|\! +\! \overline{j}_{x,\nu})! \, 
+\overline{j}_{x,\nu}!} 
+\prod_x e^{-\mu j_{x,4}}  P_\phi \left( f_x \right) ,
+\nonumber
+\end{eqnarray}
+with $f_x = \sum_\nu\!\big[ |j_{x,\nu}|\!+\!  |j_{x-\widehat{\nu},\nu}|  \!+\!
+2\overline{j}_{x,\nu}\! +\! 2\overline{j}_{x-\widehat{\nu},\nu} \big]$ which is an even number. The $I_p(\beta)$
+in the weights  ${\cal W}_U$ are the modified Bessel functions and the $P_\phi (2n)$ in 
+${\cal W}_\phi$  are the integrals $ P_\phi (2n)  =  \int_0^\infty dr \, r^{2n+1}
+\,  e^{-M_\phi^2\, r^2 - \lambda_\phi r^4} = \sqrt{\pi/16 \lambda}  \, (-\partial/\partial M^2)^n \;  
+e^{M^4 / 4 \lambda} [1- erf(M^2/2\sqrt{\lambda})]$, which we evaluate numerically and
+pre-store for the Monte Carlo. The weight factors $ {\cal
+W}_\chi$ are the same as the $ {\cal W}_\phi$, only  the parameters $M_\phi^2$,
+$\lambda_\phi$, $\mu_\phi$ are replaced by  $M_\chi^2$, $\lambda_\chi$, $\mu_\chi$. All
+weight factors are real and positive. The partition sum (\ref{Zfinal}) thus  is
+accessible  to Monte Carlo techniques,  using the plaquette occupation numbers and the
+flux variables as the new degrees of freedom. 
 
 
 \section{Monte Carlo simulation}
 
 
 \section{Monte Carlo simulation}
@@ -408,6 +516,19 @@ under Grant Agreement number PITN-GA-2009-238353 (ITN STRONGnet).
   [arXiv:1307.6120 [hep-lat]].
   %%CITATION = ARXIV:1307.6120;%%
 
   [arXiv:1307.6120 [hep-lat]].
   %%CITATION = ARXIV:1307.6120;%%
 
+\bibitem{LuWe}
+M.~L\"uscher, P.~Weisz,  Nucl.\ Phys.\ B {\bf 290} (1987) 25;
+Nucl.\ Phys.\ B {\bf 295} (1988) 65;
+Nucl.\ Phys.\ B {\bf 318} (1989) 705.
+
+\bibitem{DeGaSch1} 
+  Y.~D.~Mercado, C.~Gattringer, A.~Schmidt,
+  %``Surface worm algorithm for abelian Gauge-Higgs systems on the lattice,''
+  Comp.\ Phys.\ Comm.\  {\bf 184}, 1535 (2013).
+  %[arXiv:1211.3436 [hep-lat]].
+  %%CITATION = ARXIV:1211.3436;%%
+  %5 citations counted in INSPIRE as of 16 Jul 2013
+
 \end{thebibliography}
 
 \end{document}
\ No newline at end of file
 \end{thebibliography}
 
 \end{document}
\ No newline at end of file