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Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules S. Friot I.P.N. Orsay 5 février 2010 Projet PARTIE 1: Hyperasymptotique en théorie des champs – avec D. Greynat 1 Etape 1: des modèles simples entièrement sous contrôle 2 Etape 2: applications phénoménologiques PARTIE 2: Le g − 2 du muon – avec D. Greynat et E. de Rafael 1 Contributions hadroniques 2 Contributions électrofaibles ⇒ Demande de CDD pour D. Greynat S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules PARTIE 1: Hyperasymptotique en théorie des champs – avec D. Greynat MOTIVATIONS Diagrammes de Feynman et représentation de Mellin-Barnes: Pôles de T. de Mellin ⇒ D. A. en puissances (et log.) d’un paramètre Série perturbative non-Borel sommable: Pôles de T. de Borel (renormalons, instantons) ⇒ corr. exp. (non-pert.) Malgré noyau MB gère corrections exponentielles ⇒ donne à la fois série pert. et série non-pert. (dév. hyperasymptotique) Dev. hyper. incluent automatiquement phénomène de Stokes Evidemment rep. MB d’observables en QCD (par ex.) sont inconnues mais: Théorie des terminants (Dingle): Permet de ”terminer” une grande classe de séries divergentes et retombe sur résultats hyperasymptotiques S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Questions: 1 developpements hyperasymptotiques ⇒ objets que l’on manipule en physique des particules? 2 Peut-on déduire de la théorie des terminants des moyens de calculer corrections NP en théorie des champs? 3 Y a-t-il un lien entre phénomène de Stokes et ambiguı̈tés de Borel? S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Etape 1: des modèles simples entièrement sous contrôle But: Application théorie terminants sur modèle le plus simple possible: φ40 . Vérification des résultats avec théorie de MB hyperasymptotique. S. Friot and D. Greynat, arXiv:0907.5593 [hep-th]. résultats intéressants: résurgence, influence de la queue perturbative sur la précision, prolongement analytique (ligne de Stokes incluse), partie imaginaire non-perturbative Extension de ces travaux: 1 Approche basée sur équation différentielle (Schwinger-Dyson) 2 Approche basée sur méthode des points selles 3 Traiter exemple avec ligne de Stokes sur axe réel positif S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Etape 2: applications phénoménologiques 1 g − 2 des leptons chargés: une classe de corrections non-perturbatives en QED 2 QCD à grand β0 3 Instantons en théorie effective de QED S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules g − 2 des leptons chargés: corrections non-perturbatives en QED Insertions de polarisation du vide (type renormalons) ℓ1 ℓ2 ℓN B. Lautrup, Phys. Lett. B 69 (1977) 109. 1 2 3 Expression exacte des ak sous forme intégrale ⇒ obtention des expressions asymptotiques (pour k → ∞) Calcul de Lautrup correct? Lien avec QCD à grand β0 S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Instantons en théorie effective de QED Phénomène de Stokes ⇒ instantons en théorie des cordes topologiques 2009 (Approche hyperasymptotique basée sur points selles) Cas très similaire en théorie effective de QED (champ électrique constant) 1 Retrouver instantons à une boucle avec MB (partie imaginaire du lagrangien effectif ) 2 Ordres supérieurs? (conjecture à tous les ordres en QED scalaire) S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules PARTIE 2: g − 2 du muon – avec D. Greynat et E. de Rafael Valeur actuelle: −10 aexp ) µ = 11659208.9 ± 5.4 ± 3.3 (×10 Déviation de 3σ M. Davier arXiv:1001.2243 [hep-ph] S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Corrections hadroniques Contributions hadroniques (ordre α3 ) 1 Le premier diagramme est le moins bien connu 2 Diagrammes 3 et 4: calcul vérifié pour électron dans polarisation et fait pour tau 3 Diagrammes 5 à 16 : test pour contributions électrofaibles Calculs en cours S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Corrections électrofaibles Diagrammes testés Plus généralement 1 2 A une boucle ⇒ résultat analytique. Deux boucles ⇒ ordre dominant seulement (plusieurs échelles) . Contributions avec boucles de quarks sont toujours calculées avec masse des quarks légers nulle MB multidimensionnelle permet de faire calculs à plusieurs échelles ⇒ vrai ordre de grandeur de ces contributions J.-Ph. Aguilar, D. Greynat and E. de Rafael, Phys.Rev.D 77 (2008). S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Etat de l’art asymptotique Berry (1989), Olver (1991) Développement asymptotique Obs.(α) = N−1 X k =0 ak αk +RN où RN = O(αN ). x →0 On note: O(α) ∼ α→0 ∞ X ak αk k =0 Choix de N = N0 : développement superasymptotique Obs.(α) = N0 −1 X k =0 k „ ak α + RN0 où RN0 = O e α→0 λ − α0 « Itération: développement hyperasymptotique Obs.(α) = N0 −1 X k0 =0 (0) A k0 + N1 −1 X Nj −1 (1) Ak1 + ... + X (j) Akj + RNj où kj =0 k1 =0 λ1 < λ2 < ... < λj „ λ « j R Nj = O e − α x →0 Phénomène de Stokes S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules in collaboration with David GREYNAT based on hep-th 0907.5593 Introductive remarks • 4D-QFT perturbative series are expected to be (divergent) asymptotic expansions in powers of the coupling constants • Mellin-Barnes (MB) representation is a powerful tool in asymptotics which has been used a lot for Feynman diagrams calculations in the perturbative approach of 4D-QFT Smirnov 2004, Friot-Greynat-de Rafael 2005, Aguilar-Greynat-de Rafael 2008 • MB representation also allows to deal with asymptotics beyond all orders (hyperasymptotics) Is MB representation able to tell us about non-perturbative effects? S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Beyond asymptotic expansions Berry (1989), Olver (1991) Asymptotic expansion f (x) = N−1 X k =0 ak x k +RN where RN = O(x N ). x →0 f (x) ∼ We write x →0 ∞ X ak x k k =0 Superasymptotic expansion f (x) = N0 −1 X k =0 k „ ak x + RN0 where RN0 = O e x →0 λ − x0 « Hyperasymptotic expansion f (x) = N0 −1 X k0 =0 (0) A k0 + N1 −1 X k1 =0 (1) A k1 Nj −1 + ... + X (j) Akj + RNj where kj =0 „ λ « j R Nj = O e − x x →0 λ1 < λ2 < ... < λj S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Mellin-Barnes representation Mellin transform M[f (x)](s) = ˆ ∞ dx x s−1 f (x) 0 Mellin-Barnes representation (inverse Mellin transform) f (x) = 1 2πi c+i∞ ˆ ds x −s M[f (x)](s) c−i∞ Condition: . Re s = c ∈]α, β[ with f (x) = O(x −α ) x →0+ and f (x) = x →+∞ S. Friot O(x −β ) Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules 0-dimensional euclidean φ4 theory Let us consider the 4-dimensional euclidean φ4 action – » ˆ 1 λ 1 ∂µ φ(x)∂ µ φ(x) + m2 φ2 (x) + φ4 (x) S = d 4x 2 2 4! Its 0-dimensional version is S= 1 2 2 λ m φ + φ4 2 4! and the associated generating functional, defined for Re λ > 0, is ˆ +∞ Z (j) = N dφ e −S+jφ −∞ We will focus on the vacuum-to-vacuum transitions generated (for m = 1 and N = √12π ) by 1 Z (0) = √ 2π ˆ S. Friot +∞ 1 dφ e − 2 φ 2 λ φ4 − 4! −∞ Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Z (0) Formal approach Rigorous approach Perturbative expansion Mellin-Barnes representation Divergent tail MB - remainder Non-perturbative expansion Iterative procedure Hyperasymptotic expansion S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Perturbative expansion 1 Z (0) = √ 2π ˆ +∞ 1 dφ e − 2 φ 2 λ φ4 − 4! −∞ Taking λ small, one has the perturbative expansion `1 ´ „ «k ∞ k λ 35 2 385 3 1 X (−1) Γ 2 + 2k 1 Z (0) ∼ √ λ − λ +O(λ4 ) = 1− λ+ λ→0 k! 3! 8 384 3072 π k =0 But ∀λ, ˛ ˛ ˛ 1 (2k + 3 )(2k + 1 ) ˛ ˛ ˛ 2 2 λ ˛ ˛ −−−−→ +∞ ˛k + 1 ˛ k →+∞ 3! therefore the perturbative series is a divergent series for all values of the coupling. S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Counting Feynman diagrams Feynman diagrams contributions to Z (0) in 4 dimensions: Order λ (−1) λ 3 1! 4! =− 1 λ 8 Order λ2 24 384 λ 2 1 0 A + @ 3 384 λ2 + 8 384 λ2 Since, in dimension 0, Z (0) = 1 − λ→0 1 35 2 385 3 λ+ λ − λ + O(λ4 ) 8 384 3072 the 0-dimensional theory performs a counting of the diagrams in 4 dimensions S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Numerical analysis 1 3 5 7 9 11 1 For λ = 1 3 one has the exact result 13 1 0.98 0.98 0.96556048 Pert Z (0)|λ= 1 ≈ 0.96556048... Sn-1 0.96 0.96 0.94 0.94 3 0.92 0.92 1 3 5 7 9 11 13 n An arbitrary resummation procedure for the perturbative series leads to the property that |Rn | < |un | and |Rn | < |un−1 |. One then deduce η−1 Z (0) = X uk + k =0 1 1 |uη | ± |uη | , 2 2 with ∀n, |uη | 6 |un | This gives Z (0)|λ= 1 = 0.96555187 ± 0.00140990 3 S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Inverse factorial expansion Barnes’ lemma Γ(s + a)Γ(s + b) = Γ(s + c) ˆ +i∞ −i∞ dt Γ(t + c − a)Γ(t + c − b)Γ(s + ϑ − t)Γ(−t) 2iπ Γ(c − a)Γ(c − b) with ϑ = a + b − c. Inverse factorial expansion M−1 X (−1)j Γ(s + a)Γ(s + b) = (c − a)j (c − b)j Γ(s + ϑ − j) Γ(s + c) j! j=0 ˆ dt Γ(t + c − a)Γ(t + c − b)Γ(s + ϑ − t)Γ(−t) + 2iπ Γ(c − a)Γ(c − b) M−δ+i R M > Re (a − c) + δ, M > Re (b − c) + δ, M < Re (s + ϑ) for 0 < δ < 1 and | arg s| < π2 . Olver 1995 S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules The starting point is now the expression of Z (0) as a divergent series `1 `1 ´ „ «k ´ „ «k n−1 ∞ k k λ λ 1 X (−1) Γ 2 + 2k 1 X (−1) Γ 2 + 2k Z (0) ∼ √ +√ λ→0 k! 6 k! 6 π k =0 π k =n {z } | {z } | . . =Rn =S Pert. n−1 Using the duplication formula, Rn = ` ´ ` ´ «k ∞ 1 3 „ 1 XΓ k+4 Γ k+4 2λ √ − Γ (k + 1) 3 π 2 k =n We can apply the Inverse factorial expansion ` ´ ` ´ m−1 X Γ k + 41 Γ k + 34 (−1)j Aj Γ(k − j) + = Γ(k + 1) j=0 1 where Aj = j! „ « „ « 1 3 4 j 4 j and S. Friot ˆ ds f (s) Γ(k − s) 2iπ c+m+i R ` ´ ` ´ Γ(−s)Γ s + 14 Γ s + 43 ` ´ ` ´ f (s) = Γ 14 Γ 34 Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Resummation and terminant function The tail then becomes Rn = „ «k ∞ m−1 X −2λ 1 X √ Γ(k − j) (−1)j Aj 3 π 2 j=0 k =n „ «k ˆ ∞ X ds −2λ 1 Γ(k − s) + √ f (s) 2iπ 3 π 2 k =n c+m+i R One can now perform a Borel resummation on the two infinite sums in Rn , "∞ «k # «n „ „ « „ X 2λ 3 −2λ = Γ(n − j) − Λn−j−1 Γ(k − j) B 3 3 2λ k =n The function Λℓ is known as a terminant function Λℓ (x) = x ℓ+1 ˆ ∞ where Γ(a, x) = Dingle 1973 x e Γ(−ℓ, x) dy y a−1 e −y x is the incomplete Gamma function. S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules One then obtains (for m 6 n) the formal expression `1 ´ „ «k n−1 k 1 X (−1) Γ 2 + 2k λ Z (0) = √ k! 6 π k =0 + (−1)n √ e π 2 3 2λ m−1 X j=0 n (−1) + √ e π 2 3 2λ (−1)j Aj Γ(n − j) ˆ c+m+i R ds 2iπ „ 2 3λ „ « „ 3 Γ −n + j + 1, 2λ « „ 3 f (s) Γ(n − s) Γ −n + s + 1, 2λ 2λ 3 «−s «j From the MB hyperasymptotic theory, one may prove that it is the hyperasymptotic expansion of Z (0) at first hyperasymptotic level. Paris and Kaminsky 2001 S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Resurgence phenomenon „ « 3 3 λ 35 2 385 3 25025 4 1 + λ − λ + λ − √ e 2λ Γ(5)Γ −4, 8 384 3072 98304 2λ 2π „ « „ « „ « 3 35 2 3 385 3 3 1 + λ Γ(3)Γ −2, − λ Γ(2)Γ −1, − λ Γ(4)Γ −3, 8 2λ 384 2λ 3072 2λ „ «ff ˆ c+5+i∞ 3 3 1 1 25025 4 λ Γ(1)Γ 0, − √ e 2λ ds ... + 98304 2λ 2iπ 2π c+5−i∞ Z (0) = 1 − This resurgence phenomenon also appears in higher order hyperasymptotic levels. S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Iterations... We showed that it is possible to write the tail as Rn = (−1)n √ e π 2 3 2λ j=0 n + m−1 X (−1) √ e π 2 3 2λ (−1)j Aj Γ(n − j) ds 2iπ ˆ c+m+i R „ 2 3λ „ « „ 3 Γ −n + j + 1, 2λ « „ 3 f (s) Γ(n − s) Γ −n + s + 1, 2λ 2λ 3 «−s «j where ` ´ ` ´ ´ ` ´ ` 1 3 Γ(−s)Γ s + 41 Γ s + 34 1 Γ s+ 4 Γ s+ 4 π ` ´ ` ´ =− √ f (s) = Γ(s + 1) sin πs Γ 14 Γ 43 π 2 Applying the Inverse factorial expansion on Rn,m one has Functional equation 2 π 4 1 f (s) = − √ π 2 sin πs ′ m −1 X l=0 (−1)l Al Γ(s − l) + S. Friot ˆ c+m′ −i R 3 dt f (t) Γ(s − t)5 2iπ Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules MB hyperasymptotic theory One may prove that the remainder of the asymptotic expansion of Z (0) in the MB approach is 1 √ π ˆ ds 2iπ c−n+iR „ «−s « „ λ 1 − 2s = Rn Γ (s) Γ 6 2 and, from this, that ˛ ˛n−c ˛ 2λ ˛ ` ´ |Rn | = ˛˛ ˛˛ O e −n nn−c n→∞ 3 Superasymptotic Theorem When |λ| is small, there exist a0 > 0 and |b0 | < ∞ so that if n= a0 + b0 |λ| then Rn is exponentially small in λ (non perturbative). S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Optimal truncation schemes This gives a |Rn | = O |λ|→0 e 0 − |λ| „ 2a0 3 « a0 ! |λ| and for a0 = 32 , we have the Optimal Truncation Scheme i.e. the smallest remainder “ ” − 3 |Rn | = O e 2|λ| . |λ|→0 The remainder at next hyperasymptotic level is !Paris ˛ ˛−n−c ˛ 3 ˛ 1 e −n (n − m)n−m mm+c− 2 |Rn,m | = O ˛˛ ˛˛ n→∞ 2λ For n = a0 |λ| + b0 and m = a1 |λ| |Rn,m | = O „ |λ|→0 and Kaminsky 2001 + b1 , we have p a |λ|e 1 a +ln 3−ln 2 − 0 |λ| a1|λ| (a0 S. Friot − a1 ) a0 −a1 |λ| « Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules „ a |Rn | = O e |λ|→0 |Rn,m | = O |λ|→0 OTS 1 3 a0 = 2 OTS 2 a0 = 3 „ 0 − |λ| p 2a0 3 « a0 ! |λ| a |λ|e 1 a +ln 3−ln 2 − 0 |λ| a1|λ| (a0 3 a1 = 4 3 a1 = 2 S. Friot Rn = O(·) e 3 − 2|λ| − − a1 ) p a0 −a1 |λ| « Rn,m = O(·) |λ|e 3 (1+ln 2) − 2|λ| p |λ|e 3 − |λ| Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules OTS1 at first hyperasymptotic level h i 3 −1 2|λ| X Z (0) = „ (−1)k Ak k =0 1 − √ π 2 +O „ h 3 2λ i 3 −1 4|λ| X |λ|e − ˆ (−1)j Aj j=0 p «k dt 2iπ „ dt 2iπ „ i h 3 +iR −c+ 2|λ| 3(1+ln 2) 2|λ| «−t π Γ (t − j) sin πt «−t π Γ (t − j) sin πt 3 2λ « OTS2 at first hyperasymptotic level h i 3 −1 |λ| Z (0) = X k (−1) Ak k =0 1 − √ π 2 +O h „ 3 2λ «k i 3 −1 2|λ| X ˆ (−1)j Aj j=0 ” “p − 3 |λ|e |λ| h i 3 −c+ |λ| +iR S. Friot 3 2λ Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Numerical analysis OTS 1 OTS 2 Pertur. expa. OTS 2 m m′ m′′ 1 2 3 3 ]=4 [ 2|λ| 3 [ 2|λ| ]=4 3 [ 2|λ| ]=4 3 ]=2 [ 4|λ| 3 [ 4|λ| ]=2 3 [ 4|λ| ]=2 3 [ 8|λ| ]=1 3 [ 8|λ| ]=1 3 [ 8|λ| ]=0 1 2 3 3 [ |λ| ]=9 9 [ 2|λ| ] = 13 6 [ |λ| ] = 18 3 [ 2|λ| ]=4 3 [ |λ| ] = 9 9 [ 2|λ| ] = 13 Z (0) 0.965560481.. 0.96555187 Mathematica OTS 1 n 3 [ 2|λ| ]=4 3 [ |λ| ]=9 Sn Sm 0.9638 0.9638 0.9638 0.9696 1.0573 -27.696 0.0017 0.0017 0.0017 -0.0040 -0.0917 28.662 3 [ 2|λ| ]=4 Sm ′ Sm′′ 0.000041 0.000041 0 ±0.001410990 1 2 3 1 2 3 0.96552297 0.96556492 0.96556492 0.965562911 0.965560477 0.965560486 S. Friot 0.0000061 -0.0001292 9 × 10−9 Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules • Numerical stability Olver et al. ’95 It has been proven that it is possible to obtain numerical stability by choosing another OTS, taking n+1−j aj = n+1 For the third hyperasymptotic level we have n=8 m′ = 4 m=6 m′′ = 2 and Z (0) = 0.965560480 S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules C ONCLUSIONS We started with the formal expression of a divergent (asymptotic) power perturbative series and obtained a non-perturbative asymptotic improvement, from the birth of hyperasymptotic expansions out of the perturbative tail We saw that the best OTS allows to reach much more precise results than perturbation theory The (exponentially suppressed) non-perturbative corrections are not necessarily numerically small Using MB representation extends the validity of the asymptotic expansions beyond the complex λ-plane. Aim: apply the method on less trivial examples S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Perturbative expansion from Mellin-Barnes representation The first step is to obtain an inverse Mellin-Barnes representation of Z (0): „ «−s ˆ λ 4 λ 4 ds φ Γ(s) , e − 4! φ = 2iπ 4! c+iR with h0, +∞i and | arg λ| < 1 Z (0) = √ π π . 2 Then we obtain the following results ˆ ds 2iπ c+iR ¸ ˙ with 0, 41 and | arg λ| < 3π 2 « „ «−s „ λ 1 − 2s Γ (s) Γ 6 2 (Analytic continuation). S. Friot Paris et al. 90’s Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules Im s Re s Applying the Cauchy’s theorem on the integral over s inside a rectangle horizontally sized n, one can prove that `1 ´ „ «k n−1 k 1 X (−1) Γ 2 + 2k λ 1 Z (0) = √ +√ k! 6 π k =0 π ˆ c−n+iR ds 2iπ « „ «−s „ λ 1 − 2s Γ (s) Γ 6 2 therefore 1 Rn = √ π ˆ c−n+iR ds 2iπ „ «−s « „ λ 1 − 2s Γ (s) Γ 6 2 S. Friot Corrections non-perturbatives exponentielles et physique des particules