The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario€¦ · Gattringer Hip Lang NPB 508 (1997) 329...
Transcript of The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario€¦ · Gattringer Hip Lang NPB 508 (1997) 329...
The Realization of theSharpe-Singleton Scenario
Kim Splittorffwith: Jac Verbaarschot
Mario Kieburg
Gernot Akemann
Poul Henrik Damgaard
Urs Heller
Niels Bohr Institute / DFF - Sapere Aude
Gauge Field Dynamics In and Out of Equilibrium
INT, Seattle, March 9, 2012
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 1/63
What The phase structure of lattice QCD with Wilson fermions
Aoki VS Sharpe-Singleton
Why Extract continium physics from the lattice
How Wilson Chiral Perturbation Theory (a 6= 0)
New Link to the spectrum of the QCD Wilson Dirac operator
puzzle
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 2/63
Warm up: Zero a
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 3/63
a = 0 Banks Casher
X
X
X
X
X
X
X
X
Re(z)
Im(z)
< >
< >(m)
ψ ψ
ψ ψ_
_
m
〈ψψ〉 =π
Vρ(0)
Banks Casher NPB 169 (1980) 103
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 4/63
Eigenvalue density at a = 0:
γ5D = −Dγ5 eigenvalues in pairs (iλ,−iλ)
ν zero ev’s
-20 -10 0 10 20
λΣV0
0.1
0.2
0.3
0.4
ρν=1 (λ
,m)
Nf=2, mΣV=3
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 5/63
Eigenvalue density at a = 0:
γ5D = −Dγ5 eigenvalues in pairs (iλ,−iλ)
ν zero ev’s
-20 -10 0 10 20
λΣV0
0.1
0.2
0.3
0.4
ρν=1 (λ
,m)
Nf=2, mΣV=3
One fit parameter Σ
Verbaarschot Wettig Ann.Rev.Nucl.Part.Sci. 50 (2000) 343, hep-ph/0003017
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 5/63
CPT in the ǫ-regime mΣV ∼ 1 a = 0
The partition function in a sector of topological charge ν
ZνNf
(m; a = 0) =
∫
U(Nf )
dU detν(U)em2 ΣV Tr(U+U †)
A group integral (not a path integral)
Σ is the chiral condensate
Gasser, Leutwyler, PLB 188(1987) 477; NPB 307 (1988) 763
Leutwyler, Smilga, PRD 46 (1992) 5607
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 6/63
New: non zero lattice spacing a
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 7/63
Discretization effects depend on the discretization
Here: Wilson fermions
γ5DW 6= −DWγ5
D†W 6= −DW
γ5-hermiticity
D†W = γ5DWγ5
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 8/63
Discretization effects depend on the discretization
Here: Wilson fermions
γ5DW 6= −DWγ5
D†W 6= −DW
γ5-hermiticity
D†W = γ5DWγ5
Eigenvalues, z, of DW
- complex conjugate pairs (z, z∗)
- exact real eigenvalues
Itho, Iwasaki, Yoshie, PRD 36 (1987) 527
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 8/63
Free Wilson fermions.
Spectrum of DW +m
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Im
m
λ
Re λ
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 9/63
Free Wilson fermions.
Spectrum of DW +m
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Im
m
λ
Re λ
Physical region
Creutz Annals Phys.322:1518-1540,2007
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 9/63
Eigenvalues, z, of DW (illustration)
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2
Re(z)-2
-1
0
1
2
Im(z
)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 10/63
a 6= 0 Aoki phase (parity broken phase)
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Re(z)
Im(z)
m
< >=0
< >(m)
ψ ψ
ψ ψ_
_
Electrostatic analogy:Eigenvalues = charges, quark mass = test charge
Aoki PRD 30 2653 (1984)
Barbour et al. NPB 275 (1986) 296 (nonzero µ)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 11/63
Phases of Wilson fermions
Aoki (2nd order) Sharpe Singleton (1st order)
m
< >=0
< >(m)
ψ ψ
ψ ψ_
_
< >
< >(m)
ψ ψ
ψ ψ_
_
m
Aoki PRD 30 2653 (1984)
Sharpe Singleton PRD 58, 074501 (1998)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 12/63
Sharpe Singleton (1st order)
X
X
X
X Im(z)
Re(z)m
XXX
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
< >
< >(m)
ψ ψ
ψ ψ_
_
m
Kieburg Splittorff Verbaarschot arXiv:1202.0620
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 13/63
Method: Wilson Chiral Perturbation Theory
Sharpe PRD 74 (2006) 014512
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 14/63
Wilson CPT
The chiral Lagrangian for Wilson fermions has new terms
L =F 2
π
4Tr
(
dµUdµU †)
+m
2ΣTr(U + U †)
−a2W6[Tr(
U + U †)
]2 − a2W7[Tr(
U − U †)
]2
−a2W8Tr(U2 + U †2)
with new constants W6, W7 and W8
Sharpe Singleton PRD 58, 074501 (1998)Rupak Shoresh PRD 66, 054503 (2002)
Aoki PRD 68:054508,2003Bar Rupak Shoresh PRD 70, 034508 (2004)
Sharpe Wu PRD 70, 094029 (2004)Aoki Baer PRD 70 (2004) 116011
Golterman Sharpe Singleton PRD 71, 094503 (2005)Del Debbio Frandsen Panagopoulos Sannino JHEP0806:007 (2008)
Shindler PLB 672, 82 (2009)Bar Necco Schaefer JHEP 0903, 006 (2009)
Bar Necco Shindler JHEP 1004:053,2010
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 15/63
Wilson CPT in the ǫ-regime (mΣV ∼ a2VWi ∼ 1)
The partition function in a sector ν
ZνNf
=
∫
U(Nf )
dU detν(U) eS
with
S = +m
2ΣV Tr(U + U
†)
−a2V W6[Tr
“
U + U†
”
]2− a
2V W7[Tr
“
U − U†
”
]2
−a2V W8Tr(U
2+ U
†2
)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 16/63
Wilson CPT in the ǫ-regime (mΣV ∼ a2VWi ∼ 1)
The partition function in a sector ν
ZνNf
=
∫
U(Nf )
dU detν(U) eS
with
S = +m
2ΣV Tr(U + U
†)
−a2V W6[Tr
“
U + U†
”
]2− a
2V W7[Tr
“
U − U†
”
]2
−a2V W8Tr(U
2+ U
†2
)
Non trivial fact: In sector ν the Wilson Dirac operator DW has index ν
index =P
k sign(〈k|γ5|k〉)
Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002, 2010
Akemann, Damgaard, Splittorff, Verbaarschot, PRD 83:085014, 2011
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 16/63
Eigenvalues, z, of DW (illustration)
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2
Re(z)-2
-1
0
1
2
Im(z
)
ρνWreal
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 17/63
Quenched microscopic density of DW
The real eigenvalues of DW in sector ν = 0, 1, 2, 3
Nf = 0
a√
W8V = 0.2
W6 = W7 = 0
-3 -2 -1 0 1 2 3
Re[z]ΣV0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
ρν Wre
al(R
e[z]
;a)
Gattringer Hip Lang NPB 508 (1997) 329Hernandez NPB 536 (1998) 345
Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002,2010
Kieburg, Verbaarschot, Zafeiropoulos PRL 108, 022001 (2012)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 18/63
Unquenched microscopic density of DW
The real eigenvalues of DW in sector ν = 1
Nf = 2
mΣV = 3
a√
W8V = 0.5
W6 = W7 = 0
-6 -4 -2 0 2 4 6
λW
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
ρ χν=1 (λ
W,m
;a)
Nf=0 a=0.5 ν=1Nf=2 m=3 a=0.5 ν=1
Splittorff Verbaarshot PRD 84, 065031 (2011)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 19/63
Unquenched microscopic density of DW
The complex eigenvalues of DW in sector ν = 0
Nf = 2
mΣV = 2
a√
W8V = 0.8
W6 = W7 = 0
-10
0
10
Re z0
2
4
6
8
Im z0
5.´10-6
0.00001
0.000015
Kieburg Splittorff Verbaarshot arXiv:1202.0620
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 20/63
Wilson CPT
The chiral Lagrangian for Wilson fermions
L =F 2
π
4Tr
(
dµUdµU †)
+m
2ΣTr(U + U †)
−a2W6[Tr(
U + U †)
]2 − a2W7[Tr(
U − U †)
]2
−a2W8Tr(U2 + U †2)
So far we used W6 = W7 = 0 and W8 > 0
Sharpe Singleton PRD 58, 074501 (1998)Rupak Shoresh PRD 66, 054503 (2002)
Aoki PRD 68:054508,2003Bar Rupak Shoresh PRD 70, 034508 (2004)
Sharpe Wu PRD 70, 094029 (2004)Aoki Baer PRD 70 (2004) 116011
Golterman Sharpe Singleton PRD 71, 094503 (2005)Del Debbio Frandsen Panagopoulos Sannino JHEP0806:007 (2008)
Shindler PLB 672, 82 (2009)Bar Necco Schaefer JHEP 0903, 006 (2009)
Bar Necco Shindler JHEP 1004:053,2010
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 21/63
Phases of Wilson fermions
Aoki (W8 + 2W6 > 0) Sharpe Singleton (W8 + 2W6 < 0)
m
< >=0
< >(m)
ψ ψ
ψ ψ_
_
< >
< >(m)
ψ ψ
ψ ψ_
_
m
Sharpe Singleton PRD 58, 074501 (1998)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 22/63
The signs of W6 and W8
Only Wilson CPT with
W6 < 0 and W8 > 0
corresponds to the γ5-Hermitian DW
DW =1
2γµ(∇µ + ∇∗
µ) − ar
2∇µ∇∗
µ
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 23/63
The signs of W6 and W8
Only Wilson CPT with
W6 < 0 and W8 > 0
corresponds to the γ5-Hermitian DW
DW =1
2γµ(∇µ + ∇∗
µ) − ar
2∇µ∇∗
µ
Wilson CPT with
W6 > 0 and W8 < 0
corresponds to an Anti-Hermitian (not γ5-Hermitian)
DiW =1
2γµ(∇µ + ∇∗
µ) − iar
2∇µ∇∗
µ
sign problem
Kieburg Splittorff Verbaarschot arXiv:1202.0620QCD ineq: Hansen and Sharpe arXiv:1111.2404, arXiv:1112.3998
Akemann Damgaard Splittorff Verbaarschot PRD 83 (2011) 085014
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 23/63
From Wilson CPT to the spectrum of DW
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 24/63
The SUSY method
The SUSY way of writing the eigenvalue density
ρNfc (z, m; a) =
1
πlimz→z
d
dz
d
dz∗log Zν
Nf +2|2(m, z, z∗, z, z∗; a)]
SUSY/graded generating function for the eigenvalue density
ZνNf+2|2(m, z, z∗, z, z∗; a) =
∫
dA det(DW + m)Nf| det(DW + z)|2| det(DW + z)|2 e−SYM(A)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 25/63
The SUSY method
The SUSY way of writing the eigenvalue density
ρNfc (z, m; a) =
1
πlimz→z
d
dz
d
dz∗log Zν
Nf +2|2(m, z, z∗, z, z∗; a)]
SUSY/graded generating function for the eigenvalue density
ZνNf+2|2(m, z, z∗, z, z∗; a) =
∫
dA det(DW + m)Nf| det(DW + z)|2| det(DW + z)|2 e−SYM(A)
integrate over the gauge fields
Efetov Supersymmetry in disorder and chaos Cambridge Uni Press 1997
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 25/63
The SUSY method in Wilson CPT
The SUSY way of writing the eigenvalue density
ρNfc (z, m; a) =
1
πlimz→z
d
dz
d
dz∗log Zν
Nf +2|2(m, z, z∗, z, z∗; a)]
SUSY/graded generating function for the eigenvalue density
ZNf+2|2(m, z, z∗, z, z∗; a) =∫
dU Sdet(U)ν
×e1
2Str(M[U+U−1])−a2W8V Str(U2+U−2)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 26/63
The SUSY method in Wilson CPT
The SUSY way of writing the eigenvalue density
ρNfc (z, m; a) =
1
πlimz→z
d
dz
d
dz∗log Zν
Nf +2|2(m, z, z∗, z, z∗; a)]
SUSY/graded generating function for the eigenvalue density
ZNf+2|2(m, z, z∗, z, z∗; a) =∫
dU Sdet(U)ν
×e1
2Str(M[U+U−1])−a2W8V Str(U2+U−2)
integrate over graded Goldstone manifold Gl(Nf + 2|2)Damgaard Osborn Toublan Verbaarschot NPB 547 305 (1999): a = 0
Splittorff, Verbaarschot, NPB 683 (2004) 467: µ 6= 0
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 26/63
The effect of W6 < 0 on the spectrum of DW
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Re(z)
Im(z)
288a W /Σ
W <06
DW
X
X
X
e−a2W6V [STr
“
U+U†”
]2
∼Z ∞
−∞dy e
− y2
16|W6V a2| e− y
2STr
“
U+U†”
Mass matrix in generating functional
M = diag (m − y, z − y, z∗ − y, z − y, z∗ − y)
Kieburg Splittorff Verbaarschot arXiv:1202.0620
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 27/63
The sign of W6 and W8
Constraints from γ5-Hermiticity
W6 < 0, W8 > 0
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 28/63
The sign of W6 and W8
Constraints from γ5-Hermiticity
W6 < 0, W8 > 0
Aoki (2nd order PT)
W8 + 2W6 > 0
Sharpe Singleton (1st order PT)
W8 + 2W6 < 0
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 28/63
The sign of W6 and W8
Constraints from γ5-Hermiticity
W6 < 0, W8 > 0
Aoki (2nd order PT)
W8 + 2W6 > 0
Sharpe Singleton (1st order PT)
W8 + 2W6 < 0
Both allowed by γ5 hermiticity !
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 28/63
Both observed on the lattice
Aoki phaseAoki Gocksch PRD 45, 3845 (1992)
Aoki Gocksch PLB 231 (1989) 449Aoki Gocksch PLB 243, 409 (1990)
Jansen et al. [XLF Collaboration] PLB 624, 334 (2005)Aoki Ukawa Umemura PRL 76, 873 (1996)
Aoki Nucl.Phys.Proc.Suppl. 60A, 206 (1998)Ilgenfritz et al. PRD 69, 074511 (2004)
Del Debbio Giusti Luscher Petronzio Tantalo JHEP 0602, 011 (2006)Del Debbio Giusti Luscher Petronzio Tantalo JHEP 0702, 056 (2007)Del Debbio Giusti Luscher Petronzio Tantalo JHEP 0702, 082 (2007)
Bernardoni Bulava Sommer arXiv:1111.4351Aoki et al. [JLQCD Collaboration] PRD 72, 054510 (2005)
Farchioni et al. Eur.Phys.J.C39:421 (2005)Farchioni et al. Eur.Phys.J.C42:73 (2005)
Farchioni et al. PLB 624, 324 (2005)Farchioni et al. Eur.Phys.J.C47:453,2006
Baron et al. (ETM collab) JHEP08(2010)097
Sharpe-Singleton scenario
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 29/63
Puzzle: Quenched only observes Aoki
Aoki phaseAoki Gocksch PRD 45, 3845 (1992)
Aoki Gocksch PLB 231 (1989) 449Aoki Gocksch PLB 243, 409 (1990)
Jansen et al. [XLF Collaboration] PLB 624, 334 (2005)Aoki Ukawa Umemura PRL 76, 873 (1996)
Aoki Nucl.Phys.Proc.Suppl. 60A, 206 (1998)Ilgenfritz et al. PRD 69, 074511 (2004)
Del Debbio Giusti Luscher Petronzio Tantalo JHEP 0602, 011 (2006)Del Debbio Giusti Luscher Petronzio Tantalo JHEP 0702, 056 (2007)Del Debbio Giusti Luscher Petronzio Tantalo JHEP 0702, 082 (2007)
Bernardoni Bulava Sommer arXiv:1111.4351Aoki et al. [JLQCD Collaboration] PRD 72, 054510 (2005)
Farchioni et al. Eur.Phys.J.C39:421 (2005)Farchioni et al. Eur.Phys.J.C42:73 (2005)
Farchioni et al. PLB 624, 324 (2005)Farchioni et al. Eur.Phys.J.C47:453,2006
Baron et al. (ETM collab) JHEP08(2010)097
Sharpe-Singleton scenario
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 30/63
To include W6 < 0 in ρc
Gaussian trick
e−a2W6V [STr
“
U+U†”
]2=
1
4p
−πW6V a2
Z ∞
−∞dy e
− y2
16|W6V a2| e− y
2STr
“
U+U†”
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 31/63
To include W6 < 0 in ρc
Gaussian trick
e−a2W6V [STr
“
U+U†”
]2=
1
4p
−πW6V a2
Z ∞
−∞dy e
− y2
16|W6V a2| e− y
2STr
“
U+U†”
In the eigenvalue density for DW
ρνc,Nf
(z, m; a6, a8) =1
ZνNf
(m; a6, a8)
Z
[dy] ZνNf
(m − y; a8)ρνc,Nf
(z − y, m − y; a8)
where
m = mΣV , z = zΣV and a26 = W6V a2, a2
8 = W8V a2
Kieburg Splittorff Verbaarschot arXiv:1202.0620
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 31/63
The mean field eigenvalue density of DW
For W6 = 0
ρMFc,Nf =2(x, m; a8) = θ(8a2
8 − |x|)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 32/63
The mean field eigenvalue density of DW
For W6 = 0
ρMFc,Nf =2(x, m; a8) = θ(8a2
8 − |x|)
With W6
ρMFc,Nf =2(x, m; a6, a8) =
1
ZMF2 (m; a6, a8)
Z
dy e−y2/16|a2
6|ZMF
2 (m − y; a8)θ(8a28 − |x − y|)
(2)
where
ZMF2 (m; a8) = e2m−4a2
8 + e−2m−4a2
8 + θ(8a28 − |m|)em2/8a2
8+4a2
8
Kieburg Splittorff Verbaarschot arXiv:1202.0620
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 32/63
Sharpe Singleton W8 + 2W6 < 0
m < 0 0 < m
-400 -200 0 200 400
xΣV0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
ρ cMF
Nf=
2(x,m
,a6,a
8)
m= -5, a6=i3, a8=3
-400 -200 0 200 400
xΣV0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
ρ cMF
Nf=
2(x,m
,a6,a
8)
m= +5, a6=i3, a8=3
a√
W6V = i3
a√
W7V = 0
a√
W8V = 3
Gap and pion mass
m2πF 2
π
2= |m|Σ − 8(W8 + 2W6)a
2
Kieburg Splittorff Verbaarschot arXiv:1202.0620The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 33/63
Sharpe Singleton W8 + 2W6 < 0
X
X
X
X Im(z)
Re(z)m
XXX
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
< >
< >(m)
ψ ψ
ψ ψ_
_
m
W6 < 0 prefers the same signs of all Re[z]
Kieburg Splittorff Verbaarschot arXiv:1202.0620
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 34/63
Quenched and unquenched condensate
W8 + 2W6 > 0 W8 + 2W6 = 0 W8 + 2W6 < 0
Quenched Nf = 2
-20 -10 0 10 20m
-1
-0.5
0
0.5
1
Σν=0 N
f=0(m
;a)
a6= 0.0 a8=1
a6=i0.5 a8=1
a6=i1.0 a8=1
-20 -10 0 10 20m
-1
-0.5
0
0.5
1
Σν=0 N
f=2(m
;a)
a6= 0.0 a8=1
a6=i0.5 a8=1
a6=i1.0 a8=1
Sharpe Singleton only for Nf > 0
Kieburg Splittorff Verbaarschot arXiv:1202.0620
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 35/63
Conclusions
Derived the microscopic eigenvalue density from WCPT
- for the real and complex eigenvalues of DW
in sectors with fixed index of DW
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 36/63
Conclusions
Derived the microscopic eigenvalue density from WCPT
- for the real and complex eigenvalues of DW
in sectors with fixed index of DW
Constraints on the parameters of WCPT from γ5-Hermiticity
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 36/63
Conclusions
Derived the microscopic eigenvalue density from WCPT
- for the real and complex eigenvalues of DW
in sectors with fixed index of DW
Constraints on the parameters of WCPT from γ5-Hermiticity
The realization of the Sharpe Singleton scenario- does not occur quenched
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 36/63
Does it work ?
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 37/63
Spectrum of D5 ≡ γ5(DW +m) on 164 and 204 lattice
Histograms: lattice Curves: WCPT
-12 -8 -4 0 4 8 12
λ5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
ρ 5ν=0 (λ
5 ,m;a
)
Ev_2635_16_HYP_Q0_m216m=3.5 a=0.35 ν=0Fit
-12 -8 -4 0 4 8 12
λ5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
ρ 5ν=0 (λ
5 ,m;a
)
Ev_2635_20_HYP_Q0_m216m=8.5 a=0.55 ν=0Prediction
LHS fit (ΣV , mΣV and a8) RHS prediction: Volume scaling
Nf = 0
Damgaard Heller Splittorff Phys.Rev. D85 (2012) 014505
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 38/63
Spectrum of D5 on 204 lattice smaller coupling
Histograms: lattice Curves: WCPT
-12 -8 -4 0 4 8 12
λ5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
ρ 5ν=0 (λ
5 ,m;a
)
Ev_279_20_HYP_Q0_m184m=3.5 a=0.35 ν=0Fit
-12 -8 -4 0 4 8 12
λ5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
ρ 5ν=0 (λ
5 ,m;a
)
Ev_279_20_HYP_Q0_m178m=4.8 a=0.35 ν=0Prediction
LHS fit (ΣV , mΣV and a8) RHS prediction: mass scaling
Nf = 0
Damgaard Heller Splittorff Phys.Rev. D85 (2012) 014505
Deuzeman Wenger Wuilloud JHEP 1112 (2011) 109
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 39/63
Additional slides
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 40/63
The Hermitian Wilson Dirac operator D5
Introduce
D5 ≡ γ5(DW +m)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 41/63
The Hermitian Wilson Dirac operator D5
Introduce
D5 ≡ γ5(DW +m)
γ5-Hermiticity of DW Hermiticity of D5
D†W = γ5DWγ5 ⇒ D
†5 = D5
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 41/63
The Hermitian Wilson Dirac operator D5
Introduce
D5 ≡ γ5(DW +m)
γ5-Hermiticity of DW Hermiticity of D5
D†W = γ5DWγ5 ⇒ D
†5 = D5
D5 is hermitian but spectrum not symmetric: not (λ5,−λ5)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 41/63
Lattice
Spectrum of D5 for Nf = 2
6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66
λ [MeV]
0.01
0.02
0.03
ρ(λ)
ZAmsea
- Aoki phase when gap closes
Lüscher JHEP0707:081,2007Del Debbio Giusti Lüscher Petronzio Tantalo JHEP0702:082,2007
Aoki PRD 30 (1984) 2653
Bitar Heller Narayanan PLB 418 167 (1998)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 42/63
From Wilson CPT to the spectrum of D5
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 43/63
The SUSY method
The SUSY way of writing the eigenvalue density
ρNf
5 (λ5, m; a) =1
πIm[ lim
z′→z
d
dzZν
Nf+1|1(m, m, z, z′; a)]
SUSY/graded generating function for the eigenvalue density
ZνNf+1|1(m, m, z, z′; a) =
∫
dA det(DW + m)Nfdet(DW + m + zγ5)
det(DW + m + z′γ5)e−SYM(A)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 44/63
The SUSY method
The SUSY way of writing the eigenvalue density
ρNf
5 (λ5, m; a) =1
πIm[ lim
z′→z
d
dzZν
Nf+1|1(m, m, z, z′; a)]
SUSY/graded generating function for the eigenvalue density
ZνNf+1|1(m, m, z, z′; a) =
∫
dA det(DW + m)Nfdet(DW + m + zγ5)
det(DW + m + z′γ5)e−SYM(A)
integrate over the gauge fields
Efetov Supersymmetry in disorder and chaos Cambridge Uni Press 1997
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 44/63
The SUSY method in Wilson CPT
The SUSY way of writing the eigenvalue density
ρNf
5 (λ5, m; a) =1
πIm[ lim
z′→z
d
dzZν
Nf+1|1(m, m, z, z′; a)]z=λ5
SUSY/graded generating function for the eigenvalue density
ZNf +1|1(m, m, z, z′; a) =∫
dU Sdet(U)ν
×ei 1
2Str(M[U−U−1])+i 1
2Str(Z[U+U−1])+a2W8V Str(U2+U−2)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 45/63
The SUSY method in Wilson CPT
The SUSY way of writing the eigenvalue density
ρNf
5 (λ5, m; a) =1
πIm[ lim
z′→z
d
dzZν
Nf+1|1(m, m, z, z′; a)]z=λ5
SUSY/graded generating function for the eigenvalue density
ZNf +1|1(m, m, z, z′; a) =∫
dU Sdet(U)ν
×ei 1
2Str(M[U−U−1])+i 1
2Str(Z[U+U−1])+a2W8V Str(U2+U−2)
integrate over graded Goldstone manifold Gl(Nf + 1|1)Damgaard Osborn Toublan Verbaarschot NPB 547 305 (1999): a = 0
Splittorff, Verbaarschot, NPB 683 (2004) 467: µ 6= 0
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 45/63
Spectrum of D5 Nf = 2
mΣV = 3
ν = 0
a√
V W8 = 0.25
0 1 2 3 4 5 6 7
λ50
0.1
0.2
0.3
0.4
ρ 5ν=0 (λ
5 ,m=
3;a=
0.25
)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 46/63
Spectrum of D5 Nf = 2
mΣV = 3
ν = 0
a√
V W8 = 0.25
0 1 2 3 4 5 6 7
λ50
0.1
0.2
0.3
0.4
ρ 5ν=0 (λ
5 ,m=
3;a=
0.25
)
Explains 1/√
V scaling of width of smallest eigenvalues
Del Debbio Giusti Lüscher Petronzio Tantalo JHEP0702:082,2007Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002,2010
Akemann Damgaard Splittorff Verbaarschot PoS LATTICE2010 (2010) 079
Splittorff Verbaarschot PRD 84 (2011) 065031
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 46/63
Spectrum of D5 Nf = 2
mΣV = 3
ν = 2
a√
V W8 = 0.25
-10 -5 0 5 10
λ50
0.2
0.4
0.6
0.8
ρ 5ν=2 (λ
5 ,m=
3;a=
0.25
)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 47/63
Spectrum of D5 Nf = 2
mΣV = 3
ν = 2
a√
V W8 = 0.25
-10 -5 0 5 10
λ50
0.2
0.4
0.6
0.8
ρ 5ν=2 (λ
5 ,m=
3;a=
0.25
)
Unquenched: ρ5(λ5 = 0, m; a) = 0 since
det2(DW + m) = det2D5(m) =∏
j
λ5j (m)2
Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002,2010Akemann Damgaard Splittorff Verbaarschot PoS LATTICE2010 (2010) 079
Splittorff Verbaarschot PRD 84 (2011) 065031The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 47/63
Twisted mass
det(DW + m + iztγ5τ3) = det(D5(m) + iztτ3)
=∏
j
(λ5j(m) + izt)(λ
5j (m) − izt) =
∏
j
(λ5j(m)2 + z2
t )
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 48/63
Twisted mass
det(DW + m + iztγ5τ3) = det(D5(m) + iztτ3)
=∏
j
(λ5j(m) + izt)(λ
5j (m) − izt) =
∏
j
(λ5j(m)2 + z2
t )
Maximal twist (m = 0): spectrum of D5(m = 0)
d
dzt
log Z(m = 0, zt; a) =
∫
dλ5 2zt
λ52 + z2t
ρ5(λ5, m = 0, zt; a)
Banks-Casher relation
Σ =πρ5(λ
5 = 0; a)
V
Frezzotti Grassi Sint Weisz JHEP 0108, 058 (2001)
Banks Casher NPB 169, 103 (1980)The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 48/63
Spectrum of D5 at maximally twisted mass
ν = 0
a√
V W8 = 0.25
-10 0 10
λ50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
ρ 5ν=0 (λ
5 ,m=
0,iz
t=i4
;a=
0.25
) Quenched ν=0zt=4 ν=0zt=0 ν=0
∏
j(λ5j(m = 0)2 + z2
t )
Splittorff Verbaarschot arXiv:1201.1361
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 49/63
Quenched microscopic density of D5 = γ5(DW +m)
Sector ν = 0
mΣV = 3
a√
W8V = 0
a√
W8V = 0.03
a√
W8V = 0.250
0 2 4 6 8 10
xΣV0
0.5
1
1.5
ρ 5ν=0 (x
;a)
For ν = 0 the density is symmetric: ρν=05 (x; a) = ρν=0
5 (−x; a)
Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002,2010
Akemann Damgaard Splittorff Verbaarschot PRD 83 (2011) 085014
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 50/63
Quenched microscopic density of D5 = γ5(DW +m)
Sector ν = 2 increasing a√
W8V
mΣV = 3
-12 -8 -4 0 4 8 12
xΣV0
0.5
1
1.5ρν=
2 5(x;a
)a=0.125, m=3, ν=2a=0.250, m=3, ν=2a=0.500, m=3, ν=2
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 51/63
Quenched microscopic density of D5 and DW
Sector ν = 3:
a√
W8V = 0.1
mΣV = 3
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
xΣV0
0.5
1
1.5
2
2.5
ρν5(x,m;a)
ρνWreal(x-m;a)
The real modes, φ, of DW are almost chiral: φ†γ5φ ≃ 1
Itho Iwasaki Yoshie PRD 36 (1987) 527Gattringer Hip Lang NPB 508 (1997) 329
Gattringer Hip NPB 536 (1998) 363Hernandez NPB 536 (1998) 345
Akemann Damgaard Splittorff Verbaarschot PRD 83 (2011) 085014The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 52/63
W6 and W7
The double-trace terms re-expressed as gaussian integrals
ZνNf
(m, x; a6, a8) =1
4√
πa6
∫ ∞
−∞
dy e− y2
16|a26| Zν
Nf(m + y, x; a6 = 0, a8)
where a6 = a√
W6V and a8 = a√
W8V
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 53/63
W6 and W7
The double-trace terms re-expressed as gaussian integrals
ZνNf
(m, x; a6, a8) =1
4√
πa6
∫ ∞
−∞
dy e− y2
16|a26| Zν
Nf(m + y, x; a6 = 0, a8)
where a6 = a√
W6V and a8 = a√
W8V
Also works for the density
ρν5(x, m; a6, a8) =
1
4√
πa6
∫ ∞
−∞
dy e− y2
16|a26| ρν
5(x, m + y; a6 = 0, a8)
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 53/63
W6 and W7
The double-trace terms re-expressed as gaussian integrals
ZνNf
(m, x; a6, a8) =1
4√
πa6
∫ ∞
−∞
dy e− y2
16|a26| Zν
Nf(m + y, x; a6 = 0, a8)
where a6 = a√
W6V and a8 = a√
W8V
Also works for the density
ρν5(x, m; a6, a8) =
1
4√
πa6
∫ ∞
−∞
dy e− y2
16|a26| ρν
5(x, m + y; a6 = 0, a8)
W7 averaged x instead of m
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 53/63
RMT for Wilson Lattice QCD
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 54/63
Properties of the Wilson Dirac operator
γ5-Hermiticity
D† = γ5Dγ5
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 55/63
Properties of the Wilson Dirac operator
γ5-Hermiticity
D† = γ5Dγ5
D =
0
@
aA iW
iW † aB
1
A
A (N × N ) and B ((N + ν) × (N + ν)) are hermitian
W is a general complex matrix
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 55/63
The spectrum of one Random Matrix
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2
Re(z)-2
-1
0
1
2
Im(z
)
Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002,2010
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 56/63
The Wilson RMT partition function
ZνNf
≡
Z
dWdAdB det(D + m)Nf e− N
2Tr(A2+B2)−NTrW†W
where
D + m =
0
@
aA + m iW
iW † aB + m
1
A
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 57/63
The Wilson RMT partition function
ZνNf
≡
Z
dWdAdB det(D + m)Nf e− N
2Tr(A2+B2)−NTrW†W
where
D + m =
0
@
aA + m iW
iW † aB + m
1
A
Same low energy theory in the ǫ-regime
Shuryak, Verbaarschot, NPA 560, 306 (1993), Verbaarschot, PRL 72, 2531 (1994)
Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002,2010
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 57/63
The Wilson RMT partition function
ZνNf
≡
Z
dW det(D + m)Nf e− N
2Tr(A2+B2)−NTrW†W
where
D + m =
0
@
aA + m iW
iW † aB + m
1
A
same flavor symmetries as QCD and same breaking by m and a
ZνNf
=
∫
U(Nf )
dU detν(U) eNmTr(U+U†)−Na2
2Tr(U2+U†2
)
for N → ∞ with mN and a2N fixed
Shuryak Verbaarschot NPA 560, 306 (1993), Verbaarschot PRL 72, 2531 (1994)
Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002,2010
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 58/63
Why Wilson RMT
Usually: easier to compute spectral correlation functions with RMT than the SUSY method
- any Nf
- higher order correlation functions
- individual eigenvalue distributions
Splittorff Verbaarschot arXiv:to.appear
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 59/63
Lattice I
Hasenfratz Hoffmann Schaefer JHEP0705:029,2007
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 60/63
Spectrum of D5 for Nf = 0
- integrated up from zero & summed over the index
Lattice 64 × 323 a ≃ 0.07fm WCPT (mΣV = 3, a8 = 0.2)
0 20 40 60 80 100MR[MeV]
0
10
20
30
40
50νR
mR 0 2 4 6 8 10 12
xΣV0
10
20
30
40
50
60
70
Lüscher Palombi JHEP09(2010)110 Akemann Damgaard Splittorff Verbaarschot PRD 83 (2011) 085014
Necco Shindler arXiv:1101.1778
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 61/63
The sign of W8
γ5-Hermiticity ⇒ det2(DW + m) ≥ 0
QCD inequality ZνNf =2(m; a) ≥ 0
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 62/63
The sign of W8
γ5-Hermiticity ⇒ det2(DW + m) ≥ 0
QCD inequality ZνNf =2(m; a) ≥ 0
Only satisfied if W8 > 0 (for W6 = W7 = 0)
-3 -2 -1 0 1 2 3mΣV
-50
0
50
100
150
200
Zν=
1 Nf=
2(m;a
)
W8 > 0
W8 < 0
a2V W8 = 1 (full) a2V W8 = −1 (dashed)
Akemann Damgaard Splittorff Verbaarschot PRD 83 (2011) 085014
Hansen Sharpe arXiv:1111.2404
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 62/63
The sign of W6 and W7
W6 < 0
W6 > 0: lattice theory where the spectrum of DW can fluctuate vertically
Not allowed by γ5 hermiticity !
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 63/63
The sign of W6 and W7
W6 < 0
W6 > 0: lattice theory where the spectrum of DW can fluctuate vertically
Not allowed by γ5 hermiticity !
W7 < 0
W7 > 0: lattice theory where the spectrum of D5 can fluctuate vertically
Not allowed by γ5 hermiticity !
Kieburg Splittorff Verbaarschot arXiv:1202.0620
The Realization of the Sharpe-Singleton Scenario – p. 63/63