RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD...

79
RMT for QCD at non zero lattice spacing Kim Splittorff with: Poul Henrik Damgaard Jac Verbaarschot Gernot Akemann Niels Bohr Institute / DFF - Sapere Aude Random Matrix Theory and Applications in Theoretical Sciences, Zif, Bielefeld, December 16, 2011 RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 1/54

Transcript of RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD...

Page 1: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

RMT for QCD at non zero latticespacing

Kim Splittorffwith: Poul Henrik Damgaard

Jac Verbaarschot

Gernot Akemann

Niels Bohr Institute / DFF - Sapere Aude

Random Matrix Theory and Applications in Theoretical Sciences,

Zif, Bielefeld, December 16, 2011

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 1/54

Page 2: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

What Spectrum of the QCD Dirac operator

New Lattice QCD effects included (a 6= 0)

Why Extract continium physics from the lattice

How Wilson Random Matrix TheoryWilson Chiral Perturbation Theory

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 2/54

Page 3: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Warm up: Zero a

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 3/54

Page 4: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Properties of the continuum Dirac operator

Axial symmetry

γ5D = −Dγ5

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 4/54

Page 5: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Properties of the continuum Dirac operator

Axial symmetry

γ5D = −Dγ5

D =

0

@

0 iW

iW † 0

1

A γ5 =

0

@

1 0

0 −1

1

A

W (N × (N + ν)) is a general complex matrix

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 4/54

Page 6: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The chiral RMT partition function

ZνNf

Z

dW det(D + m)Nf e−NTrW†W

where

D + m =

0

@

m iW

iW † m

1

A

Shuryak, Verbaarschot, NPA 560, 306 (1993), Verbaarschot, PRL 72, 2531 (1994)

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 5/54

Page 7: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The chiral RMT partition function

ZνNf

Z

dW det(D + m)Nf e−NTrW†W

where

D + m =

0

@

m iW

iW † m

1

A

same flavor symmetries as QCD and same breaking by m

Shuryak, Verbaarschot, NPA 560, 306 (1993), Verbaarschot, PRL 72, 2531 (1994)

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 5/54

Page 8: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The chiral RMT partition function

ZνNf

Z

dW det(D + m)Nf e−NTrW†W

where

D + m =

0

@

m iW

iW † m

1

A

same low energy partition function in the ǫ-regime

ZνNf

=

U(Nf )

dU detν(U) eNmTr(U+U†)

for N → ∞ with mN fixed

Shuryak Verbaarschot NPA 560, 306 (1993), Verbaarschot PRL 72, 2531 (1994)

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 6/54

Page 9: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Chiral Perturbation Theory 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

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 7/54

Page 10: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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

Verbaarschot Wettig Ann.Rev.Nucl.Part.Sci. 50 (2000) 343, hep-ph/0003017

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 8/54

Page 11: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 8/54

Page 12: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

New: non zero lattice spacing a

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 9/54

Page 13: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Goal: analytic predictions for the Dirac spectrum with a 6= 0

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 10/54

Page 14: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Discretization effects depend on the discretization

Here: Wilson fermions

γ5DW 6= −DWγ5

D†W 6= −DW

γ5-hermiticity

D†W = γ5DWγ5

Itho, Iwasaki, Yoshie, PRD 36 (1987) 527

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 11/54

Page 15: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 11/54

Page 16: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Wilson Random Matrix Theory

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 12/54

Page 17: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Properties of the Wilson Dirac operator

γ5-Hermiticity

D†W = γ5DW γ5

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 13/54

Page 18: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Properties of the Wilson Dirac operator

γ5-Hermiticity

D†W = γ5DW γ5

DW =

0

@

aA iW

iW † aB

1

A

A (N × N ) and B ((N + ν) × (N + ν)) are hermitian

W is a general complex matrix

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 13/54

Page 19: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 14/54

Page 20: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The Wilson RMT partition function

ZνNf

Z

dWdAdB det(DW + m)Nf e− N

2Tr(A2+B2)−NTrW†W

where

DW + m =

0

@

aA + m iW

iW † aB + m

1

A

Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002,2010

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 15/54

Page 21: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The Wilson RMT partition function

ZνNf

Z

dWdAdB det(DW + m)Nf e− N

2Tr(A2+B2)−NTrW†W

where

DW + m =

0

@

aA + m iW

iW † aB + m

1

A

same flavor symmetries as lattice QCD and same breaking by m and a

Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002,2010

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 15/54

Page 22: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The Wilson RMT partition function

ZνNf

Z

dW det(DW + m)Nf e− N

2Tr(A2+B2)−NTrW†W

where

DW + m =

0

@

aA + m iW

iW † aB + m

1

A

Same low energy theory in the ǫ-regime

ZνNf

=

U(Nf )

dU detν(U) eNmTr(U+U†)−Na2

2Tr(U2+U†2

)

for N → ∞ with mN and a2N fixed

Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002,2010

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 16/54

Page 23: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Wilson Chiral Perturbation Theory

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 17/54

Page 24: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 18/54

Page 25: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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 − a2V W7[Tr

U − U†”

]2

−a2V W8Tr(U2 + U

†2)

Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002, 2010

Akemann, Damgaard, Splittorff, Verbaarschot, PRD 83:085014, 2011RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 19/54

Page 26: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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 − a2V W7[Tr

U − U†”

]2

−a2V W8Tr(U2 + U

†2)

Non trivial fact: In sector ν the Wilson Dirac operator DW has index ν

index =P

ksign(〈k|γ5|k〉)

Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002, 2010

Akemann, Damgaard, Splittorff, Verbaarschot, PRD 83:085014, 2011RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 19/54

Page 27: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Goal: analytic predictions for the Wilson Dirac spectrum with a 6= 0

Lüscher JHEP0707:081,2007

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 20/54

Page 28: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

a = 0 Banks Casher

X

X

X

X

X

X

X

X

Re(z)

Im(z)

< >

< >(m)

ψ ψ

ψ ψ_

_

m

〈ψ̄ψ〉 =π

Vρ(0)

Banks Casher NPB 169 (1980) 103

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 21/54

Page 29: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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)

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 22/54

Page 30: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Eigenvalues, z, of DW (illustration)

-0.2 -0.1 0 0.1 0.2

Re(z)-2

-1

0

1

2

Im(z

)

ρνWreal

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 23/54

Page 31: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Microscopic density of DW

The real eigenvalues of DW in sector ν = 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)

Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002,2010 (WCPT)

Kieburg, Verbaarschot, Zafeiropoulos arXiv:1109.0656 (WRMT)

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 24/54

Page 32: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The Hermitian Wilson Dirac operator D5

Introduce

D5 ≡ γ5(DW +m)

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 25/54

Page 33: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The Hermitian Wilson Dirac operator D5

Introduce

D5 ≡ γ5(DW +m)

γ5-Hermiticity of DW Hermiticity of D5

D†W = γ5DWγ5 ⇒ D

†5 = D5

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 25/54

Page 34: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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)

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 25/54

Page 35: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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 JHEP0707:081,2007Aoki PRD 30 (1984) 2653

Bitar Heller Narayanan PLB 418 167 (1998)

Lamacraft Simons, PRL 85, 4783 (2000); Phys. Rev. B 64, 014514 (2001)

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 26/54

Page 36: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

From Wilson CPT to the spectrum of D5

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 27/54

Page 37: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The Graded method in QCD

The Graded 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)]

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)

Efetov Supersymmetry in disorder and chaos Cambridge Uni Press 1997

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 28/54

Page 38: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The Graded method in QCD

The Graded 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)]

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 (the gluons)

Efetov Supersymmetry in disorder and chaos Cambridge Uni Press 1997

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 28/54

Page 39: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The Graded method in Wilson CPT

The Graded 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

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)

Damgaard Osborn Toublan Verbaarschot NPB 547 305 (1999): a = 0

Splittorff, Verbaarschot, NPB 683 (2004) 467: µ 6= 0

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 29/54

Page 40: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The Graded method in Wilson CPT

The Graded 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

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

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 29/54

Page 41: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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

)

Del Debbio Giusti Lüscher Petronzio Tantalo JHEP0702:082,2007Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002,2010

Akemann Damgaard Splittorff Verbaarschot PoS LATTICE2010 (2010) 079Guhr J.Math.Phys. 32 (1991) 336, Ann Phys. 250 (1996) 145, Comm.Math.Phys. 176 (1996) 555

Splittorff Verbaarschot PRD 84 (2011) 065031

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 30/54

Page 42: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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) 079Guhr J.Math.Phys. 32 (1991) 336, Ann Phys. 250 (1996) 145, Comm.Math.Phys. 176 (1996) 555

Splittorff Verbaarschot PRD 84 (2011) 065031

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 30/54

Page 43: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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

)

Damgaard Splittorff Verbaarschot PRL 105:162002,2010Akemann Damgaard Splittorff Verbaarschot PoS LATTICE2010 (2010) 079

Splittorff Verbaarschot PRD 84 (2011) 065031RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 31/54

Page 44: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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) 065031RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 31/54

Page 45: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Does it work ?

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 32/54

Page 46: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Spectrum of D5 for Nf = 0 on 164 and 204 lattice

Histograms: lattice Curves: WCPT/WRMT

-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

Damgaard Heller Splittorff arXiv:1110.2851

Akemann, Nagao arXiv:1108.3035

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 33/54

Page 47: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Spectrum of D5 for Nf = 0 on 204 lattice smaller coupling

Histograms: lattice Curves: WCPT/WRMT

-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

Damgaard Heller Splittorff arXiv:1110.2851

Deuzeman Wenger Wuilloud arXiv:1110.4002

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 34/54

Page 48: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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)

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

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 35/54

Page 49: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The sign of W8

W8 > 0

W8 < 0: Wilson CPT with W8 < 0 corresponds to an anti-hermitian DW

Akemann Damgaard Splittorff Verbaarschot PRD 83 (2011) 085014

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 36/54

Page 50: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The sign of W8

W8 > 0

W8 < 0: Wilson CPT with W8 < 0 corresponds to an anti-hermitian DW

γ5-Hermitian

DW =1

2γµ(∇µ + ∇∗

µ) − ar

2∇µ∇∗

µ ⇋ W8 > 0

Anti-Hermitian (not γ5-Hermitian)

DOS =1

2γµ(∇µ + ∇∗

µ) − iar

2∇µ∇∗

µ ⇋ W8 < 0

sign problem

Akemann Damgaard Splittorff Verbaarschot PRD 83 (2011) 085014

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 36/54

Page 51: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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 !

Splittorff Verbaarschot to appear

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 37/54

Page 52: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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 !

Splittorff Verbaarschot to appear

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 37/54

Page 53: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The sign of W6, W7 and W8

Constraints from γ5-Hermiticity

W6 < 0, W7 < 0, W8 > 0

Sharpe Singleton PRD 58, 074501 (1998)Farchioni et al. Eur.Phys.J.C47:453-472,2006Baron et al. (ETM collab) JHEP08(2010)097

Bernardoni Bulava Sommer arXiv:1111.4351RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 38/54

Page 54: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The sign of W6, W7 and W8

Constraints from γ5-Hermiticity

W6 < 0, W7 < 0, W8 > 0

Aoki (2nd order PT)

W8 + 2W6 > 0

Sharpe Singleton (1st order PT)

W8 + 2W6 < 0

Sharpe Singleton PRD 58, 074501 (1998)Farchioni et al. Eur.Phys.J.C47:453-472,2006Baron et al. (ETM collab) JHEP08(2010)097

Bernardoni Bulava Sommer arXiv:1111.4351

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 38/54

Page 55: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The sign of W6, W7 and W8

Constraints from γ5-Hermiticity

W6 < 0, W7 < 0, W8 > 0

Aoki (2nd order PT)

W8 + 2W6 > 0

Sharpe Singleton (1st order PT)

W8 + 2W6 < 0

Both allowed by γ5 hermiticity !

Sharpe Singleton PRD 58, 074501 (1998)Farchioni et al. Eur.Phys.J.C47:453-472,2006Baron et al. (ETM collab) JHEP08(2010)097

Bernardoni Bulava Sommer arXiv:1111.4351

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 38/54

Page 56: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Aoki phase W8 + 2W6 > 0

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)

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 39/54

Page 57: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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]

Splittorff Verbaarschot to appear

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 40/54

Page 58: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Quenched and unquenched condensate

W8 + 2W6 > 0 W8 + 2W6 = 0 W8 + 2W6 < 0

Quenched Nf = 0 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=i0.5 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=i0.5 a8=1

Sharpe Singleton only for Nf > 0

Splittorff Verbaarschot to appear

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 41/54

Page 59: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Conclusions

Established a new tool using WRMT and WCPT:

extract physical properties from lattice QCD simulations at nonzero lattice spacing

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 42/54

Page 60: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Conclusions

Derived the microscopic eigenvalue density from WCPT

- for the real eigenvalues of DW

- for D5 = γ5(DW + m) (also for twisted mass)

in sectors with fixed index of DW

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 43/54

Page 61: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Conclusions

Derived the microscopic eigenvalue density from WCPT

- for the real eigenvalues of DW

- for D5 = γ5(DW + m) (also for twisted mass)

in sectors with fixed index of DW

Nf = 0 lattice data: volume scaling and mass scaling

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 43/54

Page 62: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Conclusions

Derived the microscopic eigenvalue density from WCPT

- for the real eigenvalues of DW

- for D5 = γ5(DW + m) (also for twisted mass)

in sectors with fixed index of DW

Nf = 0 lattice data: volume scaling and mass scaling

Constraints on the parameters of WCPT from γ5-Hermiticity

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 43/54

Page 63: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Conclusions

Derived the microscopic eigenvalue density from WCPT

- for the real eigenvalues of DW

- for D5 = γ5(DW + m) (also for twisted mass)

in sectors with fixed index of DW

Nf = 0 lattice data: volume scaling and mass scaling

Constraints on the parameters of WCPT from γ5-Hermiticity

More: Unquenched lattice, individual eigenvalues, complex eigenvalues of DW , dist ofchirality ... suggestions are welcome!

Akemann, Nagao arXiv:1108.3035

Kieburg, Verbaarschot, Zafeiropoulos arXiv:1109.0656

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 43/54

Page 64: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Additional slides

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 44/54

Page 65: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 45/54

Page 66: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 46/54

Page 67: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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) 085014RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 47/54

Page 68: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 48/54

Page 69: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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)

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 48/54

Page 70: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 48/54

Page 71: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Free Wilson fermions.

Spectrum of DW +m

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Im

m

λ

Re λ

Creutz Annals Phys.322:1518-1540,2007

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 49/54

Page 72: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Free Wilson fermions.

Spectrum of DW +m

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Im

m

λ

Re λ

Physical region

Creutz Annals Phys.322:1518-1540,2007

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 49/54

Page 73: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Lattice I

Hasenfratz Hoffmann Schaefer JHEP0705:029,2007

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 50/54

Page 74: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 51/54

Page 75: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

The sign of W8

γ5-Hermiticity ⇒ det2(DW + m) ≥ 0

QCD inequality ZνNf =2(m; a) ≥ 0

Akemann Damgaard Splittorff Verbaarschot PRD 83 (2011) 085014

Hansen Sharpe arXiv:1111.2404

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 52/54

Page 76: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 52/54

Page 77: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

Twisted mass

det(DW + m + iztγ5τ3) = det(D5(m) + iztτ3)

=∏

j

(λ5j(m) + izt)(λ

5j (m) − izt) =

j

(λ5j(m)2 + z2

t )

Frezzotti Grassi Sint Weisz JHEP 0108, 058 (2001)

Banks Casher NPB 169, 103 (1980)RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 53/54

Page 78: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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)RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 53/54

Page 79: RMT for QCD at non zero lattice spacing · What Spectrum of the QCD Dirac operator New Lattice QCD effects included (a6= 0 ) Why Extract continium physics from the lattice How Wilson

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 to appear

RMT for QCD at non zero lattice spacing – p. 54/54