New insights into many-particle bound states in quantum field theory

Abstract

En aquesta tesi estudiem diversos aspectes dels estats lligats de moltes partícules en teories de camps quàntics. En les teories bosòniques, molts quanta fonamentals poden ocupar el mateix estat, donant lloc a solucions macroscòpiques que es comporten de manera semiclassica en escales de temps grans. Si, a més, existeixen interaccions atractives entre els quanta individuals, les partícules poden establir-se en estats lligats: solucions localitzades que són (meta)estables i tenen propietats ben definides. Ampliarem i aprofundirem en la comprensió d’aquestes configuracions, centrant-nos en teories de camps escalar reals.

La tesi gira entorn de cinc treballs de recerca [1–5]. A la primera part oferim una introducció àmplia al tema dels estats lligats de moltes partícules en la teoria de camps quàntics, centrant-nos en els aspectes més rellevants per als articles en què es basa aquesta tesi. Al treball [1], construïm oscil·lons de múltiples camps i destaquem com es formen aquests objectes en l’Univers primitiu. Al treball [2], mostrem que la matèria fosca ondulatòria de múltiples camps és una extensió viable del conegut paradigma ULDM, amb millor concordança amb les dades experimentals en certes àrees. Al treball [3], il·luminem l’estructura ressonant dels oscil·lons en el model de Sine-Gordon, mostrant que existeix una torre d’estats excitats de llarga durada. Al treball [4], trobem un nou tipus de solució d’oscil·ló anomenat oscil·ló suau, que, contràriament al que es creia, pot tenir una longevitat arbitrària en teories sense bretxa. Finalment, al treball [5], avaluem la precisió de diversos esquemes d’aproximació emprats per estendre la validesa del límit semiclassic dels estats lligats de moltes partícules.

En esta tesis estudiamos diversos aspectos de los estados ligados de muchas partículas en teorías de campos cuánticos. En las teorías bosónicas, muchos cuantos fundamentales pueden ocupar el mismo estado, dando lugar a soluciones macroscópicas que se comportan de forma semiclasica en escalas de tiempo grandes. Si además existen interacciones atractivas entre los cuantos individuales, las partículas pueden establecerse en estados ligados: soluciones localizadas que son (meta)estables y tienen propiedades bien definidas. Ampliamos y profundizamos en la comprensión de estas configuraciones, centrándonos en teorías de campo escalar reales.

La tesis se centra en cinco trabajos de investigación [1–5]. En la primera parte ofrecemos una introducción general al tema de los estados ligados de muchas partículas en la teoría cuántica de campos, enfocándonos en los aspectos más relevantes para los artículos en los que se basa esta tesis. En [1] construimos oscilones de múltiples campos y destacamos cómo se forman estos objetos en el Universo temprano. En [2] mostramos que la materia oscura ondulatoria de múltiples campos es una extensión viable del popular paradigma ULDM, con mejor concordancia con los datos experimentales en ciertas áreas. En [3] esclarecemos la estructura resonante de los oscilones en el modelo de Sine-Gordon, mostrando que existe una torre de estados excitados de larga duración. En [4] encontramos un nuevo tipo de solución de oscilón, denominada oscilón suave, que, contrariamente a lo que se pensaba, puede tener una longevidad arbitraria en teorías sin brecha. Finalmente, en [5], evaluamos la precisión de varios esquemas de aproximación utilizados para extender la validez del límite semiclasico de los estados ligados de muchas partículas.

In this thesis we study various aspects of many-particle bound states in quantum field theories. In bosonic theories many fundamental quanta can occupy the same state, resulting in macroscopic solutions that behave semiclassically on large timescales. If additionally attractive interactions exist between the individual quanta the particles can settle into bound states: localized solutions that are (meta)stable and have well defined properties. We expand and enhance the understanding of these configurations, focusing on real scalar field theories. The thesis is centered around five research works [1–5]. In the first part we give a broad introduction to the topic of many-particle bound states in quantum field theory, focusing on the aspects most relevant to the papers on which this thesis is based. In [1] we construct multi-field oscillons and highlight how these objects form in the early Universe. In [2] we show that multi-field wave dark matter is a viable extension of the popular ULDM paradigm, with better agreement to experimental data in certain areas. In [3] we elucidate the resonant structure of oscillons in the Sine-Gordon model, showing that a tower of long lived excited states exists. In [4] we find a new type of oscillon solution dubbed soft oscillons, that contrary to common lore can have arbitrary longevity in gapless theories. Finally, in [5], we assess the accuracy of various approximation schemes used to extend the validity of the semiclassical limit of many-particle bound states.