This paper was converted on www.awesomepapers.org from LaTeX by an anonymous user.
Want to know more? Visit the Converter page.

A short review on TBA equation and scattering amplitude/Wilson loop duality
 
热力学Bethe拟设和散射振幅

束红非 (Hongfei Shu)
郑州大学物理学院天文所,河南省郑州市科学大道100号
Institute for Astrophysics, School of Physics, Zhengzhou University, Zhengzhou, Henan
450001, China

摘要/Abstract

In this review (written in Chinese), we introduce the computation of the minimal surface area in the scattering amplitude/Wilson loop duality, where the minimal surface ends on a light-like polygonal Wilson loop at the boundary of anti-de Sitter space (AdS). Due to its nonlinearity and the complexity of the boundary conditions, directly solving the equations of motion to compute the area is highly challenging. This paper reviews an alternative approach that bypasses the direct solution of the equations of motion and instead uses integrable systems to compute the area. We will provide boundary conditions for the Hitchin system, which is equivalent to the equations of motion, to describe the light-like polygonal boundary of the minimal surface. Starting from the solution of the Hitchin system, we will further derive the Y-system and the Thermodynamic Bethe Ansatz (TBA) equations, whose free energy provides the nontrivial part of the minimal surface area. Finally, we will discuss recent developments in this field and provide an outlook for future research.

本文旨在介绍散射振幅/Wilson圈对偶中极小曲面面积的计算,该极小曲面以反德西特空间(AdS)边界上的的类光多边形Wilson圈为边界。鉴于其非线性以及复杂的边界条件,我们很难通过直接求解运动学方程来计算此面积。本文将回顾如何绕开对运动学方程的直接求解,转而利用可积系统来计算面积的方法。我们将给出与运动学方程等价的Hitchin系统的边界条件,以描述极小曲面的类光多边形的边界。由此Hitchin系统的解出发,我们将进一步的推导出Y系统以及热力学 Bethe 拟设方程,其自由能将给出极小曲面面积的非平庸部分。最后,本文还将简要阐述该领域的后续发展以及展望。

1 序言:散射振幅/Wilson圈对偶

AdS/CFT对偶[1, 2, 3]的发现为我们研究强耦合的规范场论提供了强有力的工具。得益于AdS×5{}_{5}\times S5中经典可积性[5]以及平面极限下量子可积性[6]的发现,四维最大超对称超杨-米尔斯理论(𝒩=4{\cal N}=4 SYM)中谱、散射振幅和威尔逊圈(Wilson loop)等方面的研究取得了重大进展[4]。在这些进展当中,平面极限下的射振幅/Wilson圈对偶的发现尤为引人注目。

𝒩=4{\cal N}=4 SYM中胶子的最大螺旋度破坏(Maximally helicity violating)散射可以由AdS空间中靠近视界的D3膜上的开弦散射来描述111这是因为我们关心散射振幅的IR发散,这个D3膜也被称作IR D3膜。,如图1左侧所示。从这些开弦的世界面我们便能计算散射振幅。然而,由于这个世界面处于视界附近并且具有Neumann边界条件,直接计算较为困难。这里我们采用了AdS5空间的Poincare坐标,即ds~2=dz2+dy~2z2d\tilde{s}^{2}=\frac{dz^{2}+d\vec{\tilde{y}}^{2}}{z^{2}}。为了克服这一难题,Alday和Maldacena在yiy^{i} (i=0,3i=0,\cdots 3)方向分别做了T-对偶[7]。引入新的径向坐标r=1/zr=1/z后,T-对偶后的度规重新变回了AdS5空间的度规,ds2=dr2+dx2r2ds^{2}=\frac{dr^{2}+d\vec{x}^{2}}{r^{2}}222更严格的说,此时的胀子以及5-形式会发生变化,为了抵消这些变化,我们需要在超空间做费米T-对偶[8]值得注意的是,由于径向方向的坐标变换,在新的度规下视界和边界的位置发生了互换。另外,在T-对偶下,原本世界面的Neumann边界条件变作了Dirichlet边界条件,并且动量变作了“缠绕数”,即右图红色线段的长度 Δxμ=2πkμ\Delta x^{\mu}=2\pi k^{\mu}。由于胶子是无质量的以及散射过程中的动量守恒,Δxμ\Delta x^{\mu}将给出一个类光的闭合多边形。因此,在(T对偶后)AdS空间中,我们得到了一个以AdS边界上的类光多边形为边界的世界面,如图1右侧所示。根据AdS/CFT对应[9, 10],这个多边形对应类光多边形的Wilson圈,平面极限下强耦合的胶子散射振幅可以通过以类光多边形的Wilson圈为边界的极小曲面的面积来得到。这便是散射振幅/Wilson圈对偶。 这一发现不仅为强耦合的散射振幅的计算提供了新的思路,也揭示了平面极限下散射振幅的对偶超共形对称性的存在[11]

Refer to caption
Figure 1: 散射振幅与Wilson圈的对偶关系。左侧的D3膜延伸在空间y1,y2,y3y^{1},y^{2},y^{3}方向,并位于视界附近。在T-对偶后,我们得到了以类光多边形的Wilson圈为边界的世界面

Alday和Maldacena通过求解运动学方程,成功计算了以类光四边形Wilson圈为边界的极小曲面面积,其对应于强耦合的四点胶子散射振幅,并且他们的计算结果验证了Bern-Dixon-Smirnov对胶子散射振幅IR发散的假设(BDS解说)[12] 333由于篇幅限制,我们在此不做过多解释,请参见[13]。由于反常共形Ward恒等式的限制,四点及五点胶子散射振幅将满足BDS解说。高点散射振幅(n6n\geq 6)将会与BDS解说存在偏离[14, 15]。然而,由于世界面运动学方程的非线性以及其极为复杂的边界条件,对于高点散射振幅的极小面积的计算变得十分困难444[16, 17, 18, 19],对于高点散射振幅的极小面积做了进一步的尝试,并发现了与BDS假设的偏离。

受到𝒩=2{\cal N}=2越墙(wall-crossing)效应[20, 21]等相关研究的启发,Alday等人开创性地提出了一种无需直接求解运动学方程即可计算极小曲面面积的方法[22, 23, 24, 25],这也是本文将探讨的主要内容。首先,我们利用Pohlmeyer约化[26, 27], 将描述极小曲面的运动学方程和Virasoro约束改写为特定的经典可积偏微分方程,其与Hitchin系统及其线性问题(linear problem)等价。通过设定这些线性问题的边界条件,我们能够重现出极小曲面的类光多边形Wilson圈边界。进一步的,通过组合线性问题的解,我们引入Y函数,该函数满足相应的热力学 Bethe 拟设(TBA)方程555这背后隐藏着常微分方程/量子可积系统(ODE/IM)对应的扩展[28, 29, 30]。我们可以发现极小曲面的面积中的非平庸部分由TBA方程的自由能所决定。

本文的构造如下:在第2节,我们首先介绍AdS3空间经典弦的Pohlmeyer 约化,并将推导出修改Sinh-Gordon方程以及相应的线性问题。我们将给出线性问题的边界条件,以重现极小曲面的类光多边形Wilson圈边界。在第3节中,我们给出相应的线性问题的小解,并以此为基础引入Y函数并推导出其所满足的TBA方程。通过TBA方程的自由能,我们将给出极小曲面面积的非平庸部分。最后,在第5节,我们将给出本文的总结以及展望。

2 AdS3空间中的极小曲面及其边界条件

在本章中,我们考虑AdS3空间内的极小曲面,该极小曲面以AdS边界上的类光多边形Wislon圈为边界,见图1。我们需要求解经典的运动方程和Virasoro约束,以得到极小曲面的面积。然而,由于其非线性以及复杂边界条件,对于一般情形下的类光多边形Wilson圈上的世界面,直接求解其运动方程是非常困难的。

在本章中,我们从可积性的角度出发,首先考虑AdS空间中经典弦的Pohlmeyer约化,并得到与AdS3中经典弦的运动方程与Viraoso约束等价的修改sinh-Gordon(MshG)方程。之后,我们考虑与MshG方程等价的Hitchin系统以及其线性问题,并给出其边界条件以刻画极小曲面的类光多边形Wislon圈边界。

2.1 AdS空间中经典弦的Pohlmeyer约化

经典弦的运动由其运动学方程以及约束条件所决定。Pohlmeyer约化为解析这些复杂的方程提供了一种有效的途径[26, 27, 22, 31]。本章节,我们将介绍AdS时空中经典弦的Pohlmeyer约化。为了简化,我们主要介绍AdS3的情形。

AdSd空间可以被视作 R(2,d1)R^{(2,d-1)}空间中的一个双曲面嵌入

YY=Y12Y02+Y12++Yd12=1,\vec{Y}\cdot\vec{Y}=-Y_{-1}^{2}-Y_{0}^{2}+Y_{1}^{2}+\cdots+Y_{d-1}^{2}=-1, (2.1)

其中Y\vec{Y}R(2,d1)R^{(2,d-1)}空间中的向量。弦的世界面的作用量为

S=𝑑z2(Y¯YΞ(z,z¯)(YY+1)).S=\int dz^{2}\Big{(}\partial\vec{Y}\cdot\bar{\partial}\vec{Y}-\Xi(z,\bar{z})(\vec{Y}\cdot\vec{Y}+1)\Big{)}. (2.2)

这里 z,z¯z,\bar{z} 是世界面的坐标, Ξ(z,z¯)\Xi(z,\bar{z})是拉格朗日乘子法。从作用量,我们很容易得到世界面的运动学方程以及Virasoro限制条件:

¯Y(Y¯Y)Y=0,YY=0,¯Y¯Y=0.\partial\bar{\partial}\vec{Y}-(\partial\vec{Y}\cdot\bar{\partial}\vec{Y})\vec{Y}=0,\quad\partial\vec{Y}\cdot\partial\vec{Y}=0,\quad\bar{\partial}\vec{Y}\cdot\bar{\partial}\vec{Y}=0. (2.3)

我们首先引入以下AdS3SO(2,2)SO(2,2)转动下不变的物理量:

e2α(z,z¯)=\displaystyle e^{2\alpha(z,\bar{z})}= 12Y¯Y,Na=e2α2ϵabcdYbYc¯Yd\displaystyle\frac{1}{2}\partial\vec{Y}\cdot\bar{\partial}\vec{Y},\quad N_{a}=\frac{e^{-2\alpha}}{2}\epsilon_{abcd}Y^{b}\partial Y^{c}\bar{\partial}Y^{d} (2.4)
p=\displaystyle p= 12N2Y,p=12N¯2Ya=1,0,1,2.\displaystyle-\frac{1}{2}\vec{N}\cdot\partial^{2}\vec{Y},\quad p=-\frac{1}{2}\vec{N}\cdot\bar{\partial}^{2}\vec{Y},\quad a=-1,0,1,2.

这些量满足 NN=1,NY=0,NY=0\vec{N}\cdot\vec{N}=1,\vec{N}\cdot\vec{Y}=0,\vec{N}\cdot\partial\vec{Y}=0 以及 N¯Y=0\vec{N}\cdot\bar{\partial}\vec{Y}=0。此外,通过(2.3), 我们很容易发现p=p(z)p=p(z)是一个全纯函数。利用这些SO(2,2)SO(2,2)不变量,我们可以引入一组正交基(q1,q2,q3,q4)(q_{1},q_{2},q_{3},q_{4}):

q1=Y,q2=eα2(¯YY),q3=eα2(¯Y+Y),q4=N,q_{1}=\vec{Y},\quad q_{2}=\frac{e^{-\alpha}}{2}(\bar{\partial}\vec{Y}-\partial\vec{Y}),\quad q_{3}=\frac{e^{-\alpha}}{2}(\bar{\partial}\vec{Y}+\partial\vec{Y}),\quad q_{4}=\vec{N}, (2.5)

其满足 qiqj=diag(1,1,1,1)q_{i}\cdot q_{j}={\rm diag}(-1,-1,1,1)。利用运动学方程及Virasoro约束(2.3),我们可以计算这组正交基的微分

qi=:Bijqj,¯qi=:Aijqj,\partial q_{i}=:B_{ij}q_{j},\quad\bar{\partial}q_{i}=:A_{ij}q_{j}, (2.6)

其中,AABB是由SO(2,2)SO(2,2)不变量写作的矩阵

A=(0eαeα0eα0¯αeαp¯eα¯α0eαp¯0eαp¯eαp¯0),B=(0eαeα0eα0αeαpeαα0eαp0eαpeαp0).A=\left(\begin{array}[]{cccc}0&e^{\alpha}&e^{\alpha}&0\\ -e^{\alpha}&0&\bar{\partial}\alpha&e^{-\alpha}\bar{p}\\ e^{\alpha}&\bar{\partial}\alpha&0&e^{-\alpha}\bar{p}\\ 0&e^{-\alpha}\bar{p}&-e^{-\alpha}\bar{p}&0\end{array}\right),\quad B=\left(\begin{array}[]{cccc}0&-e^{\alpha}&e^{\alpha}&0\\ e^{\alpha}&0&-\partial\alpha&e^{-\alpha}p\\ e^{\alpha}&-\partial\alpha&0&-e^{-\alpha}p\\ 0&e^{-\alpha}p&e^{-\alpha}p&0\end{array}\right). (2.7)

从由自洽性条件(或可积条件) ¯qi=¯qi\partial\bar{\partial}q_{i}=\bar{\partial}\partial q_{i},我们得到A,BA,B的平坦性条件

A¯B+[A,B]=0.\partial A-\bar{\partial}B+[A,B]=0. (2.8)

将(2.7)带入,我们得到与(2.3)等价的方程

¯αe2α+e2αpp¯=0,¯p=p¯=0.\displaystyle\partial\bar{\partial}\alpha-e^{2\alpha}+e^{-2\alpha}p\bar{p}=0,\quad\bar{\partial}p=\partial\bar{p}=0. (2.9)

第一个条件被称作修改sinh-Gordon方程。

将此问题用旋量基重新表述是很有益处的。SO(2,2)SO(2,2)群可以表达为两个SL(2)SL(2)群的直积,即SL(2)×SL(2)SL(2)\times SL(2)。时空向量Y\vec{Y}与内禀坐标qiq_{i}均能通过SL(2)×SL(2)SL(2)\times SL(2)的双旋量来描述

Wαα˙,aa˙=12(qi)aa˙σ~αα˙i=12(q1q4q3+q2q3q2q1+q4)αα˙,W_{\alpha\dot{\alpha},a\dot{a}}=\frac{1}{2}(q_{i})_{a\dot{a}}\tilde{\sigma}_{\alpha\dot{\alpha}}^{i}=\frac{1}{2}\left(\begin{array}[]{cc}q_{1}-q_{4}&q_{3}+q_{2}\\ q_{3}-q_{2}&q_{1}+q_{4}\end{array}\right)_{\alpha\dot{\alpha}}, (2.10)

在这里我们分别用a,a˙a,\dot{a}α,α˙\alpha,\dot{\alpha}标记内禀SL(2)×SL(2)SL(2)\times SL(2)的指标与时空SL(2)×SL(2)SL(2)\times SL(2)的指标。类似地,我们可以将运动学方程写作

Wαα˙,aa˙+(BzL)αβWβα˙,aa˙+(BzR)α˙β˙Wαβ˙,aa˙=0,\displaystyle\partial W_{\alpha\dot{\alpha},a\dot{a}}+{(B_{z}^{L})_{\alpha}}^{\beta}W_{\beta\dot{\alpha},a\dot{a}}+{(B_{z}^{R})_{\dot{\alpha}}}^{\dot{\beta}}W_{\alpha\dot{\beta},a\dot{a}}=0, (2.11)
¯Wαα˙,aa˙+(Bz¯L)αβWβα˙,aa˙+(Bz¯R)α˙β˙Wαβ˙,aa˙=0,\displaystyle\bar{\partial}W_{\alpha\dot{\alpha},a\dot{a}}+{(B_{\bar{z}}^{L})_{\alpha}}^{\beta}W_{\beta\dot{\alpha},a\dot{a}}+{(B_{\bar{z}}^{R})_{\dot{\alpha}}}^{\dot{\beta}}W_{\alpha\dot{\beta},a\dot{a}}=0,

其中BL,RB^{L,R}SL(2)SL(2)的左右联络

BzL=\displaystyle B_{z}^{L}= (12αeαeαp(z)12α),Bz¯L=(12¯αeαp¯(z¯)eα12¯α),\displaystyle\left(\begin{array}[]{cc}\frac{1}{2}\partial\alpha&-e^{\alpha}\\ -e^{-\alpha}p(z)&-\frac{1}{2}\partial\alpha\end{array}\right),\quad B_{\bar{z}}^{L}=\left(\begin{array}[]{cc}-\frac{1}{2}\bar{\partial}\alpha&-e^{-\alpha}\bar{p}(\bar{z})\\ -e^{\alpha}&\frac{1}{2}\bar{\partial}\alpha\end{array}\right), (2.12)
BzR=\displaystyle B_{z}^{R}= (12αeαp(z)eα12α),Bz¯R=(12¯αeαeαp¯(z¯)12¯α).\displaystyle\left(\begin{array}[]{cc}-\frac{1}{2}\partial\alpha&-e^{-\alpha}p(z)\\ -e^{\alpha}&\frac{1}{2}\partial\alpha\end{array}\right),\quad B_{\bar{z}}^{R}=\left(\begin{array}[]{cc}\frac{1}{2}\bar{\partial}\alpha&-e^{\alpha}\\ e^{-\alpha}\bar{p}(\bar{z})&-\frac{1}{2}\bar{\partial}\alpha\end{array}\right).

由(2.11)的自洽性条件,我们发现联络BB是平坦的,即

Bz¯L,R¯BzL,R+[BzL,R,Bz¯L,R]=0.\partial B_{\bar{z}}^{L,R}-\bar{\partial}B_{z}^{L,R}+[B_{z}^{L,R},B_{\bar{z}}^{L,R}]=0. (2.13)

同样的,平坦条件给出了修改sinh-Gordon方程(2.9)。

2.1.1 经典弦的重构

我们可以通过修改Sinh-Gordon方程(2.9)的解得到qiq_{i},并据此构建出经典弦的解。首先,我们利用BL,RB^{L,R}引入辅助线性问题(linear problem)

ψαL+(BzL)αβψβL=0,¯ψαL+(Bz¯L)αβψβL=0,\displaystyle\partial\psi_{\alpha}^{L}+{(B_{z}^{L})_{\alpha}}^{\beta}\psi_{\beta}^{L}=0,\quad\bar{\partial}\psi_{\alpha}^{L}+{(B_{\bar{z}}^{L})_{\alpha}}^{\beta}\psi_{\beta}^{L}=0, (2.14)
ψα˙R+(BzR)α˙β˙ψβ˙R=0,¯ψα˙R+(Bz¯R)α˙β˙ψβ˙R=0.\displaystyle\partial\psi_{\dot{\alpha}}^{R}+{(B_{z}^{R})_{\dot{\alpha}}}^{\dot{\beta}}\psi_{\dot{\beta}}^{R}=0,\quad\bar{\partial}\psi_{\dot{\alpha}}^{R}+{(B_{\bar{z}}^{R})_{\dot{\alpha}}}^{\dot{\beta}}\psi_{\dot{\beta}}^{R}=0.

每组线性问题都会有两个独立解,记作ψα,aL\psi^{L}_{\alpha,a}ψα˙,a˙R\psi^{R}_{\dot{\alpha},\dot{a}}。张量(2.10)的每一个成分都是零向量,并利用线性问题的解的唯一性,我们总能将(2.10)表达为

Wαα˙,aa˙L=ψα,aLψα˙,a˙RW_{\alpha\dot{\alpha},a\dot{a}}^{L}=\psi_{\alpha,a}^{L}\psi_{\dot{\alpha},\dot{a}}^{R} (2.15)

Wαα˙,aa˙LW_{\alpha\dot{\alpha},a\dot{a}}^{L},我们可以提取出q1q_{1},并得到经典弦的坐标

Yaa˙=(Y1+Y2Y1Y0Y1+Y0Y1Y2)aa˙=ψα,aLM1αβ˙ψβ˙a˙R,M1αβ˙=(1001).Y_{a\dot{a}}=\left(\begin{array}[]{cc}Y_{-1}+Y_{2}&Y_{1}-Y_{0}\\ Y_{1}+Y_{0}&Y_{-1}-Y_{2}\end{array}\right)_{a\dot{a}}=\psi_{\alpha,a}^{L}M_{1}^{\alpha\dot{\beta}}\psi_{\dot{\beta}\dot{a}}^{R},\quad M_{1}^{\alpha\dot{\beta}}=\left(\begin{array}[]{cc}1&0\\ 0&1\end{array}\right). (2.16)

2.1.2 Hitchin系统

通过引入谱参数ζ\zeta\in\mathbb{C}, 我们可以将左联络BLB^{L}扩展为一族平坦联络:

Bz(ζ)=(12α1ζeα1ζeαp(z)12α),Bz¯(ζ)=(12¯αζeαp¯(z¯)ζeα12¯α).B_{z}(\zeta)=\left(\begin{array}[]{cc}\frac{1}{2}\partial\alpha&-\frac{1}{\zeta}e^{\alpha}\\ -\frac{1}{\zeta}e^{-\alpha}p(z)&-\frac{1}{2}\partial\alpha\end{array}\right),\quad B_{\bar{z}}(\zeta)=\left(\begin{array}[]{cc}-\frac{1}{2}\bar{\partial}\alpha&-\zeta e^{-\alpha}\bar{p}(\bar{z})\\ -\zeta e^{\alpha}&\frac{1}{2}\bar{\partial}\alpha\end{array}\right). (2.17)

原始的左右联络BL,RB^{L,R}可以从Bz(ζ)B_{z}(\zeta)得到

BzL=Bz(1),BzR=UBz(i)U1,U=(0eiπ/4e3iπ/40).B_{z}^{L}=B_{z}(1),\quad B_{z}^{R}=UB_{z}(i)U^{-1},\quad U=\left(\begin{array}[]{cc}0&e^{i\pi/4}\\ e^{3i\pi/4}&0\end{array}\right). (2.18)

若将Bz(ζ),Bz¯(ζ)B_{z}(\zeta),B_{\bar{z}}(\zeta)分解为两部分,该问题的可积性将更显而易见

Bz(ζ)=Az+1ζΦz,Bz¯(ζ)=Az¯+ζΦz¯,B_{z}(\zeta)=A_{z}+\frac{1}{\zeta}\Phi_{z},\quad B_{\bar{z}}(\zeta)=A_{\bar{z}}+\zeta\Phi_{\bar{z}}, (2.19)

其中,A,ΦA,\Phi

Az=\displaystyle A_{z}= (12α0012α),Φz=(0eαeαp(z)0),\displaystyle\left(\begin{array}[]{cc}\frac{1}{2}\partial\alpha&0\\ 0&-\frac{1}{2}\partial\alpha\end{array}\right),\quad\Phi_{z}=\left(\begin{array}[]{cc}0&-e^{\alpha}\\ -e^{-\alpha}p(z)&0\end{array}\right), (2.20)
Az¯=\displaystyle A_{\bar{z}}= (12¯α0012¯α),Φz¯=(0eαp¯(z¯)eα0).\displaystyle\left(\begin{array}[]{cc}-\frac{1}{2}\bar{\partial}\alpha&0\\ 0&\frac{1}{2}\bar{\partial}\alpha\end{array}\right),\quad\Phi_{\bar{z}}=\left(\begin{array}[]{cc}0&-e^{-\alpha}\bar{p}(\bar{z})\\ -e^{\alpha}&0\end{array}\right).

由于平坦条件Bz¯Bz+[Bz,Bz¯]=0\partial B_{z}-\bar{\partial}B_{z}+[B_{z},B_{\bar{z}}]=0对于所有的谱参数ζ\zeta都成立,我们可以发现

DzΦz¯=Dz¯Φz=0,Fzz¯+[Φz,Φz¯]=0,D_{z}\Phi_{\bar{z}}=D_{\bar{z}}\Phi_{z}=0,\quad F_{z\bar{z}}+[\Phi_{z},\Phi_{\bar{z}}]=0, (2.21)

其中

DzΦz¯=\displaystyle D_{z}\Phi_{\bar{z}}= zΦz¯+[Az,Φz¯],Dz¯Φz=z¯Φz+[Az¯,Φz],\displaystyle\partial_{z}\Phi_{\bar{z}}+[A_{z,}\Phi_{\bar{z}}],\quad D_{\bar{z}}\Phi_{z}=\partial_{\bar{z}}\Phi_{z}+[A_{\bar{z},}\Phi_{z}], (2.22)
Fz¯z¯=Az¯¯Az+[Az,Az¯].\displaystyle F_{\bar{z}\bar{z}}=\partial A_{\bar{z}}-\bar{\partial}A_{z}+[A_{z},A_{\bar{z}}].

这对应于特定SU(2)SU(2)规范群的Hitchin系统666Hitchin系统通过将四维自对偶条件(瞬子方程)降维到二维而产生的。AzA_{z},Az¯A_{\bar{z}}Φz\Phi_{z},Φz¯\Phi_{\bar{z}}分别对应于二维的规范联络和Higgs场。,并与与以下线性问题等价

zψ+Bz(ζ)ψ=0,z¯ψ+Bz¯(ζ)ψ=0.\partial_{z}\psi+B_{z}(\zeta)\psi=0,\quad\partial_{\bar{z}}\psi+B_{\bar{z}}(\zeta)\psi=0. (2.23)

方程(2.16)可以被重写为

(Y1+Y4Y1Y0Y1+Y0Y1Y4)a,a˙=ψα,a(ζ=1)Mαβ˙ψβ˙,a˙(ζ=i),\left(\begin{array}[]{cc}Y_{-1}+Y_{4}&Y_{1}-Y_{0}\\ Y_{1}+Y_{0}&Y_{-1}-Y_{4}\end{array}\right)_{a,\dot{a}}=\psi_{\alpha,a}(\zeta=1)M_{\alpha\dot{\beta}}\psi_{\dot{\beta},\dot{a}}(\zeta=i), (2.24)

其中,矩阵MM的具体形式取决于我们选取的左右线性问题。

2.2 线性问题及世界面的边界条件

为了深入探究多边形边界的极小曲面,利用线性问题将十分便捷。首先,我们聚焦于修改Sinh-Gordon方程(2.9)的一个特解p=1,α=0p=1,\alpha=0。通过规范变换,我们可以将线性问题转化为

(wζ1σ3)ψ^=0,(w¯ζσ3)ψ^=0,(\partial_{w}-\zeta^{-1}\sigma_{3})\hat{\psi}=0,\quad({\partial}_{\bar{w}}-\zeta\sigma_{3})\hat{\psi}=0, (2.25)

其独立解可以写作η^+(ζ)=(ewζ+w¯ζ,0)T,η^(ζ)=(0,ewζ+w¯ζ)T\hat{\eta}_{+}(\zeta)=(e^{\frac{w}{\zeta}+\bar{w}\zeta},0)^{T},\hat{\eta}_{-}(\zeta)=(0,e^{\frac{w}{\zeta}+\bar{w}\zeta})^{T}η^+L=η^+(ζ=1)\hat{\eta}_{+}^{L}=\hat{\eta}_{+}(\zeta=1)η^L\hat{\eta}_{-}^{L}分别在Re(w){\rm Re}(w)\to\inftyRe(w){\rm Re}(w)\to-\infty处指数增长。此时复平面上有两个(anti-Stokes)分段(sector),它们以Re(w)=0{\rm Re}(w)=0为分界。相应地,右线性问题有以Im(w)=0{\rm Im}(w)=0为边界的两个分段。从(2.24)可以观察到,经典弦的世界面共有四个分段构成,这恰好描述了四边形边界条件。

进一步,我们考虑更复杂的p(z)=zn2+p(z)=z^{n-2}+\cdots,为了简化我们引入新坐标dw=p(z)dz,dw¯=p¯(z¯)dz¯dw=\sqrt{p(z)}dz,d\bar{w}=\sqrt{\bar{p}(\bar{z})}d\bar{z},(2.9)将变作

w¯w¯α^(w,w¯)e2α^(w,w¯)+e2α^(w,w¯)=0,\partial_{w}\bar{\partial}_{\bar{w}}\hat{\alpha}(w,\bar{w})-e^{2\hat{\alpha}(w,\bar{w})}+e^{-2\hat{\alpha}(w,\bar{w})}=0, (2.26)

其中α^=α14logpp¯\hat{\alpha}=\alpha-\frac{1}{4}\log p\bar{p}。当α^0z\hat{\alpha}\to 0,z\to\infty时,我们便在ww-坐标再现之前特解的情形,每一页上将会有四个分段出现。在zz-坐标,大zz极限下我们可以看到有2n2n个分段,这描述了2n2n边形的边界条件。

综上所述,与散射振幅/类光多边形威尔逊环相关的极小曲面由一个多项式p(z)p(z)α\alpha的边界条件所决定

p(z)=zn2+,e2αpp¯,z.p(z)=z^{n-2}+\cdots,\quad e^{2\alpha}\sim\sqrt{p\bar{p}},\quad z\to\infty. (2.27)

为了深入刻画边界条件,我们考虑线性问题的解

ψa=cabb+cass,\psi_{a}=c_{a}^{\rm b}b+c_{a}^{\rm s}s, (2.28)

其总能表示为“大解”bb和“小解”ss的线性组合,cab,sc_{a}^{\rm b,s}是相应的系数。由于我们总能将小解的一部分加到大解中,因此系数casc_{a}^{\rm s}并没有没有明确定义。相反的,一旦我们为小解选择了一个归一化标准,大解的系数cabc_{a}^{\rm b}就可以明确定义了。在此,我们将归一化条件设定为bs=1b\wedge s=1cabc_{a}^{\rm b}便可以用ψa\psi_{a}ss的内积得到

ψas=cab.\psi_{a}\wedge s=c_{a}^{\rm b}. (2.29)

在大zz,经典弦的坐标(2.24)可以近似为

Yaa˙(ψaLsL)(ψa˙RsR)(bαLM1αβ˙bβ˙R)λaλ~a˙,Y_{a\dot{a}}\sim(\psi_{a}^{L}\wedge s^{L})(\psi_{\dot{a}}^{R}\wedge s^{R})(b_{\alpha}^{L}M_{1}^{\alpha\dot{\beta}}b_{\dot{\beta}}^{R})\sim\lambda_{a}\tilde{\lambda}_{\dot{a}}, (2.30)

其中λaψaLsL,λ~a˙ψa˙RsR\lambda_{a}\sim\psi_{a}^{L}\wedge s^{L},\tilde{\lambda}_{\dot{a}}\sim\psi_{\dot{a}}^{R}\wedge s^{R}。由此可得Y\vec{Y}的内积为

Y2=12Yaa˙Ybb˙ϵabϵa˙b˙12λaλ~a˙λbλ~b˙ϵabϵa˙b˙=0,\vec{Y}^{2}=-\frac{1}{2}Y_{a\dot{a}}Y_{b\dot{b}}\epsilon^{ab}\epsilon^{\dot{a}\dot{b}}\sim\frac{1}{2}\lambda_{a}\tilde{\lambda}_{\dot{a}}\lambda_{b}\tilde{\lambda}_{\dot{b}}\epsilon^{ab}\epsilon^{\dot{a}\dot{b}}=0, (2.31)

这意味着大zz极限下,经典弦在AdS时空的共形边界Y2=0\vec{Y}^{2}=0处。引入Poincare坐标

Y1+Y2=1r,x±=Y1±Y0Y1+Y2,Y_{-1}+Y_{2}=\frac{1}{r},\quad x^{\pm}=\frac{Y_{1}\pm Y_{0}}{Y_{-1}+Y_{2}}, (2.32)

可进一步发现

xij+:=xi+xj+=ψ2LsiLψ1LsiLψ2LsjLψ1LsjL=siLsjL(ψ1LsiL)(ψ1LsjL),x_{ij}^{+}:=x_{i}^{+}-x_{j}^{+}=\frac{\psi_{2}^{L}\wedge s_{i}^{L}}{\psi_{1}^{L}\wedge s_{i}^{L}}-\frac{\psi_{2}^{L}\wedge s_{j}^{L}}{\psi_{1}^{L}\wedge s_{j}^{L}}=-\frac{s_{i}^{L}\wedge s_{j}^{L}}{(\psi_{1}^{L}\wedge s_{i}^{L})(\psi_{1}^{L}\wedge s_{j}^{L})}, (2.33)

其中i,ji,j是多边形顶点的标记。由此我们得到交比(cross-ratio)

xij+xkl+xik+xjl+=siLsjLskLslLsiLskLsjLslL=:χijkl(ζ=1)\frac{x_{ij}^{+}x_{kl}^{+}}{x_{ik}^{+}x_{jl}^{+}}=\frac{s_{i}^{L}\wedge s_{j}^{L}s_{k}^{L}\wedge s_{l}^{L}}{s_{i}^{L}\wedge s_{k}^{L}s_{j}^{L}\wedge s_{l}^{L}}=:\chi_{ijkl}(\zeta=1) (2.34)

同理,可得xx^{-}方向的交比为

xijxklxikxjl=siRsjRskRslRsiRskRsjRslR=:χijkl(ζ=i).\frac{x_{ij}^{-}x_{kl}^{-}}{x_{ik}^{-}x_{jl}^{-}}=\frac{s_{i}^{R}\wedge s_{j}^{R}s_{k}^{R}\wedge s_{l}^{R}}{s_{i}^{R}\wedge s_{k}^{R}s_{j}^{R}\wedge s_{l}^{R}}=:\chi_{ijkl}(\zeta=i). (2.35)

pzn2p\sim z^{n-2}时,左右线性问题分别有nn个(anti-Stokes)分段。此多边形的顶点可以被标记为(xi+,xi1)(x_{i}^{+},x_{i-1}^{-}), (xi+,xi)(x_{i}^{+},x_{i}^{-}), (xi+1+,xi)(x_{i+1}^{+},x_{i}^{-}), \cdots。由此我们得到了在AdS边界处的类光2n2n多边形。从这些交比,我们可以进一步读取光多边形的形状。

左右交比的总个数为2(n3)2(n-3),这正好与多项式p(z)p(z)的自由度一致777通过zz的平移,我们总能将zn3z^{n-3}的系数设为0。利用缩放,可将zn2z^{n-2}的系数设为1。这样多项式中会有n3n-3个复参数出现。。另外,2(n3)2(n-3)也是2维空间中2n2n边形Wilson圈的自由度的数目,这里2×32\times 3代表SO(2,2)SO(2,2)的自由度。散射振幅/极小面积等物理量最终都应通过交比来表示。

3 热力学 Bethe 拟设方程与极小曲面的面积

在上述章节中,我们认识到小解ss在刻画物理量中的重要性,本章节中将深入探讨线性问题的Stokes现象以及相关的小解。这些小解的组合将满足T-/Y系统以及相应的热力学 Bethe 拟设方程,这些方程决定了极小曲面面积的非平凡部分。

3.1 线性问题的小解

我们考虑具有以下边界条件的线性问题

e2αpp¯,z,p(z)=zn2+cn4zn4++c0.e^{2\alpha}\sim\sqrt{p\bar{p}},\quad z\to\infty,\quad p(z)=z^{n-2}+c_{n-4}z^{n-4}+\cdots+c_{0}. (3.1)

对于任意谱参量ζ\zetaww平面的(anti-Stokes)分段是888这可以从上述η^±(ζ)\hat{\eta}_{\pm}(\zeta)读出。

W^j[ζ]:(j32)π+arg(ζ)<arg(w)<(j12)π+arg(ζ).\hat{W}_{j}[\zeta]:(j-\frac{3}{2})\pi+{\rm arg}(\zeta)<{\rm arg}(w)<(j-\frac{1}{2})\pi+{\rm arg}(\zeta). (3.2)

zz平面,这些分段可以写作

Wj[ζ]:(j32)2πn+2narg(ζ)<arg(z)<(j12)2πn+2narg(ζ).W_{j}[\zeta]:(j-\frac{3}{2})\frac{2\pi}{n}+\frac{2}{n}{\rm arg}(\zeta)<{\rm arg}(z)<(j-\frac{1}{2})\frac{2\pi}{n}+\frac{2}{n}{\rm arg}(\zeta). (3.3)

容易发现联络B(ζ)B(\zeta)满足以下2\mathbb{Z}_{2}变换:

σ3Bz,z¯(ζ)σ3=Bz,z¯(eiπζ),\sigma_{3}B_{z,\bar{z}}(\zeta)\sigma_{3}=B_{z,\bar{z}}(e^{i\pi}\zeta), (3.4)

线性问题从而变换为

(z+Bz)σ3ψ(z,z¯|eiπζ)=0.(\partial_{z}+B_{z})\sigma^{3}\psi(z,\bar{z}|e^{i\pi}\zeta)=0. (3.5)

从分段W1W_{1}的小解s1(ζ)s_{1}(\zeta),我们可以生成新的解

sk+1=(iσ3)ks1(eiπkζ),s_{k+1}=(i\sigma^{3})^{k}s_{1}(e^{i\pi k}\zeta), (3.6)

通过这些解的渐近行为,可以发现它们分别是分段Wk+1W_{k+1}上的小解。这些小解的SL(2)SL(2)不变的内积独立于坐标zz但依存于ζ\zeta,并满足以下性质999此内积可以理解为两个向量组成的行列的行列式。

(sisk)(eiπζ)=(si+1sk+1)(ζ),sisi+1=1.(s_{i}\wedge s_{k})(e^{i\pi}\zeta)=(s_{i+1}\wedge s_{k+1})(\zeta),\quad s_{i}\wedge s_{i+1}=1. (3.7)

此外,这些内积满足行列式的Schouten恒等式:

sisjsksl+sislsjsk+siskslsj=0.s_{i}\wedge s_{j}s_{k}\wedge s_{l}+s_{i}\wedge s_{l}s_{j}\wedge s_{k}+s_{i}\wedge s_{k}s_{l}\wedge s_{j}=0. (3.8)

3.2 T-/Y系统

我们考虑以下内积,并称其为T-函数

Tk=(s0sk+1)[(k+1)],T_{k}=(s_{0}\wedge s_{k+1})^{[-(k+1)]}, (3.9)

这里f[k]=f(ekπi2ζ)f^{[k]}=f(e^{k\frac{\pi i}{2}}\zeta)。利用(3.7)以及Schouten恒等式(3.8),我们发现T-函数满足

Tk[]Tk[+]=1+Tk1Tk+1,T_{k}^{[-]}T_{k}^{[+]}=1+T_{k-1}T_{k+1}, (3.10)

这与可积系统的Hirota方程形式相同。sn(e2πiz,ζ)s_{n}(e^{2\pi i}z,\zeta)s0(z,ζ)s_{0}(z,\zeta)是处于同一分段的小解。并且由于世界面的光滑性,小解s(z)s(z)关于zz是单值的,因此有sn(e2πiz,ζ)=sn(z,ζ)s0(z,ζ)s_{n}(e^{2\pi i}z,\zeta)=s_{n}(z,\zeta)\propto s_{0}(z,\zeta)。从而可以得到

Tn1=(s0sn)[n]=0.T_{n-1}=(s_{0}\wedge s_{n})^{[-n]}=0. (3.11)

由此,我们很自然地将Hirota方程截断。我们称以下非平凡T-函数的Hirota方程为T-系统

Tk,k=0,1,,n2.T_{k},\quad k=0,1,\cdots,n-2. (3.12)

进一步地,我们可以考虑以下小解内积的组合,并称之为Y函数,

Y2k=\displaystyle Y_{2k}= T2k1T2k+1=sksksk1sk+1sk1sksksk+1,\displaystyle T_{2k-1}T_{2k+1}=\frac{s_{-k}\wedge s_{k}s_{-k-1}\wedge s_{k+1}}{s_{-k-1}\wedge s_{-k}s_{k}\wedge s_{k+1}}, (3.13)
Y2k+1=\displaystyle Y_{2k+1}= T2kT2k+2=[sk1sksk2sk+1sk2sk1sksk+1][+],\displaystyle T_{2k}T_{2k+2}=\Big{[}\frac{s_{-k-1}\wedge s_{k}s_{-k-2}\wedge s_{k+1}}{s_{-k-2}\wedge s_{-k-1}s_{k}\wedge s_{k+1}}\Big{]}^{[+]},

这里我们用到了小解的归一化条件。从T-系统可以推导出Y函数满足的Y系统

Yk[]Yk[+]=(1+Yk1)(1+Yk+1),k=1,2,,n3.Y_{k}^{[-]}Y_{k}^{[+]}=(1+Y_{k-1})(1+Y_{k+1}),\quad k=1,2,\cdots,n-3. (3.14)

这是量子可积系统中的An3A_{n-3} Y系统[32]。让ζ=1,i\zeta=1,i,我们可以从Y函数得到相应的交比(2.34) 和(2.35)。

3.3 热力学 Bethe 拟设方程

在量子可积系统中,给定Y函数的解析性后,可以将Y系统转化为热力学 Bethe 拟设(TBA)方程。在本节,我们将利用WKB分析计算Y函数在大ζ\zeta和小ζ\zeta的渐近行为,并推导TBA方程。

我们首先简要介绍小ζ\zeta时Y函数的渐近行为分析。通过一些规范变换,总能将线性问题的全纯部分变为101010由于Y函数是规范不变的,这并不会影响渐近行为的分析。

(z+diag(p,p))ψ~=0,\Big{(}\partial_{z}+{\rm diag}(\sqrt{p},-\sqrt{p})\Big{)}\tilde{\psi}=0, (3.15)

在小ζ\zeta时,得到sks_{k}的渐近行为

skCexp(δkζzkzp𝑑z),s_{k}\sim C\exp\big{(}\frac{\delta_{k}}{\zeta}\int_{z_{k}}^{z}\sqrt{p}dz\big{)}, (3.16)

其中CC是一个常数向量,zkz_{k}是积分起点。δk=±(1)k\delta_{k}=\pm(-1)^{k}中的正负号取决于小解所在的黎曼面。当积分的径路穿过黎曼面上的分歧线时,这个符号会变化。进一步地,我们可以分析sisjs_{i}\wedge s_{j}的渐近行为

sisjexp(δiζzizjp𝑑z+),s_{i}\wedge s_{j}\sim\exp\Big{(}\frac{\delta_{i}}{\zeta}\int_{z_{i}}^{z_{j}}\sqrt{p}dz+\cdots\Big{)}, (3.17)

其中黎曼面的选择,总能让δi=δj\delta_{i}=-\delta_{j}。Y函数(3.13)包含4个内积,可以发现相应的4条积分路径总能组合为一个闭合的圈γ\gamma 111111通过画出线性问题的Stokes图,我们可以更系统的分析Y函数的渐近行为。这里由于篇幅所限,我们不展开详细分析。感兴趣的读者可以参考[21, 24]

logY2j+1(ζ,ua)\displaystyle\log{Y}_{2j+1}(\zeta,u_{a}) 1iζγ2j+1p0(x)dx=:m2j+12ζ,\displaystyle\sim\frac{1}{i\zeta}\oint_{\gamma_{2j+1}}p_{0}(x)dx=:-\frac{m_{2j+1}}{2\zeta}, (3.18)
logY2j(ζ,ua)\displaystyle\log{Y}_{2j}(\zeta,u_{a}) 1ζγ2jp0(x)dx=:m2j2ζ,ζ0,\displaystyle\sim\frac{1}{\zeta}\oint_{\gamma_{2j}}p_{0}(x)dx=:-\frac{m_{2j}}{2\zeta},\quad\zeta\to 0,

其中圈γi\gamma_{i}见图2。同样地,我们可以得到大ζ\zeta时的Y函数的渐近行为logYk(ζ)mk2ζ+\log Y_{k}(\zeta)\to\frac{m_{k}}{2}\zeta+\cdots。综上所述,我们可以得到Y函数的渐近行为

logYk=mscoshθ,θ±,\log Y_{k}=-m_{s}\cosh\theta,\quad\theta\to\pm\infty, (3.19)

其中ζ=eθ\zeta=e^{\theta}

γ3\gamma_{3}γ2\gamma_{2}γ1\gamma_{1}\cdots
Figure 2: γi\gamma_{i}的构造。叉号代表黎曼面上的分歧点,波浪线是分歧线。

在此,我们首先假设mkm_{k}是正实数121212这一设定需要选取合适的多项式p(z)p(z)。我们引入以下函数

k=logYk(θ)mscoshθ,\ell_{k}=\log Y_{k}(\theta)-m_{s}\cosh\theta, (3.20)

其在Im(θ)<π/2{\rm Im}(\theta)<\pi/2内是解析的。从Y系统,我们可以推导出

k[+]+k[]=log((1+Yk1)(1+Yk+1)).\ell_{k}^{[+]}+\ell_{k}^{[-]}=\log\Big{(}(1+Y_{k-1})(1+Y_{k+1})\Big{)}. (3.21)

借助留数积分,我们进一步得到

K(k[+]+k[])=k,K\star(\ell_{k}^{[+]}+\ell_{k}^{[-]})=\ell_{k}, (3.22)

其中KK是核K(θ)=1/(2πcoshθ)K(\theta)=1/(2\pi\cosh\theta), \star表示卷积。由此,我们得到了TBA方程

logYk=mkcoshθ+K[log(1+Yk1)+log(1+Yk+1)],k=1,,n3,\log Y_{k}=-m_{k}\cosh\theta+K\star\Big{[}\log(1+Y_{k-1})+\log(1+Y_{k+1})\Big{]},\quad k=1,\cdots,n-3, (3.23)

这是An3A_{n-3}型的TBA方程[32]

对于一般的多项式p(z)p(z),质量mkm_{k}可以是复数。这时我们需要转动θ\theta,以保证mk/ζ=|mk|eiϕk/ζm_{k}/\zeta=|m_{k}|e^{i\phi_{k}}/\zeta是正实数。这时的Y函数的渐近行为可以写作

logYk(θ+iϕk)|mk|coshθ,θ±.\log Y_{k}(\theta+i\phi_{k})\sim-|m_{k}|\cosh\theta,\quad\theta\to\pm\infty. (3.24)

类似地,我们可以推导出

logY~k=|mk|coshθ+Ks,s1log(1+Y~k1)+Ks,s+1log(1+Y~k+1),\log\tilde{Y}_{k}=-|m_{k}|\cosh\theta+K_{s,s-1}\star\log(1+\tilde{Y}_{k-1})+K_{s,s+1}\star\log(1+\tilde{Y}_{k+1}), (3.25)

其中Y~k=Yk(θ+iϕk)\tilde{Y}_{k}=Y_{k}(\theta+i\phi_{k}), Kk,j=K(θ+iϕkiϕj)K_{k,j}=K(\theta+i\phi_{k}-i\phi_{j})。值得强调的是,当|ϕk,k±1|=π/2|\phi_{k,k\pm 1}|=\pi/2时,TBA的核里会出现极点,超越这些极点,我们需要考虑其留数的贡献,并修改TBA方程。这一现象被称为TBA方程的越墙(wall-crossing)效应[24, 33, 34]。为了简化讨论,我们仅考虑|ϕkϕk±1||\phi_{k}-\phi_{k\pm 1}|以避免越墙效应的发生。

4 极小曲面的面积以及TBA的自由能

Wilson圈上的极小曲面的面积由以下作用量描述

A=2d2zY¯Y=4d2ze2α.A=2\int d^{2}z\partial\vec{Y}\cdot\bar{\partial}\vec{Y}=4\int d^{2}ze^{2\alpha}. (4.1)

从边界条件(3.1),我们发现eαe^{\alpha}在边界处发散,其可以分解为有限部分和发散部分,写作

A=Afin+Adiv.A=A_{\rm fin}+A_{\rm div}. (4.2)

其中发散部分AdivA_{\rm div}

Adiv=\displaystyle A_{{\rm div}}= Aperiod+Acutoff,\displaystyle A_{{\rm period}}+A_{{\rm cutoff}}, (4.3)
Aperiod=\displaystyle A_{{\rm period}}= 4d2zpp¯4Σd2zpp¯,\displaystyle 4\int d^{2}z\sqrt{p\bar{p}}-4\int_{\Sigma}d^{2}z\sqrt{p\bar{p}},
Acutoff=\displaystyle A_{{\rm cutoff}}= 4Σ0,r<ϵd2zpp¯,\displaystyle 4\int_{\Sigma_{0},r<\epsilon}d^{2}z\sqrt{p\bar{p}},

这里Σ\Sigma是一个参考面,rr为径向方向。AperiodA_{\rm period}可以通过黎曼双线性公式计算,AcutoffA_{{\rm cutoff}}依存于在大zz方向的截断(对应靶空间径向方向的截断)。AcutoffA_{{\rm cutoff}}中的有限部分与BDS假设中的散射振幅有类似的构造。对此,我们不做过多解释,详细部分请参考[22, 23, 24].

有限部分为AfinA_{\rm fin}e2αpp¯e^{2\alpha}-\sqrt{p\bar{p}}的积分。利用修改Sinh-Gordon方程,可以将AfinA_{\rm fin}改写为

Afin\displaystyle A_{\rm fin} =2d2z(e2α+e2αpp¯+¯α2pp¯)\displaystyle=2\int d^{2}z(e^{2\alpha}+e^{-2\alpha}p\bar{p}+\partial\bar{\partial}\alpha-2\sqrt{p\bar{p}}) (4.4)
=Afree+π2(n2),\displaystyle=A_{{\rm free}}+\frac{\pi}{2}(n-2),

这里我们利用边界条件计算了¯α\partial\bar{\partial}\alpha的积分。 AfreeA_{\rm free}

Afree=2d2z(e2α+e2αpp¯2pp¯)=i2λ𝑑zη,A_{{\rm free}}=2\int d^{2}z(e^{2\alpha}+e^{-2\alpha}p\bar{p}-2\sqrt{p\bar{p}})=\frac{i}{2}\int\lambda dz\wedge\eta, (4.5)

其中,我们引入了两个闭形式

λdz=pdz,η=2p¯(cosh(2α^1))dz¯+1p(α^)2dz.\lambda dz=\sqrt{p}dz,\quad\eta=2\sqrt{\bar{p}}\big{(}\cosh(2\hat{\alpha}-1)\big{)}d\bar{z}+\frac{1}{\sqrt{p}}(\partial\hat{\alpha})^{2}dz. (4.6)

借助黎曼双线性公式,我们可以将这个积分写作黎曼面上圈积分的形式

Afree=i2a,bwabγaλ𝑑zγbη,A_{{\rm free}}=-\frac{i}{2}\sum_{a,b}w_{ab}\oint_{\gamma_{a}}\lambda dz\oint_{\gamma_{b}}\eta, (4.7)

这里wa,bw_{a,b}是圈的相交数。值得强调的是λ\lambdaη\eta出现在Y函数的渐近展开中,我们可以从Y函数的小ζ\zeta展开提取出所需要的圈积分131313这里ωabθbc=δac\omega_{ab}\theta^{bc}={\delta_{a}}^{c}

γaλ𝑑z=Za,12γbη=Z¯+cθbcπidζζlog(1+Y^c(ζ)),-\oint_{\gamma_{a}}\lambda dz=Z_{a},\quad-\frac{1}{2}\oint_{\gamma_{b}}\eta=\bar{Z}+\sum_{c}\frac{\theta^{bc}}{\pi i}\int\frac{d\zeta^{\prime}}{\zeta^{\prime}}\log\Big{(}1+\hat{Y}_{c}(\zeta^{\prime})\Big{)}, (4.8)

其中Za=γap𝑑zZ_{a}=-\oint_{\gamma_{a}}\sqrt{p}dz, Y^2k(ζ)=Y2k(ζ)\hat{Y}_{2k}(\zeta)=Y_{2k}(\zeta) 以及 Y^2k+1(ζ)=Y2k+1(ζeiπ/2)\hat{Y}_{2k+1}(\zeta)=Y_{2k+1}(\zeta e^{-i\pi/2})。这样,我们就可以将极小面积的非平庸部分用Y函数的展开表示出来

Afree=a=1nZa1πdζζ2log(1+Y^a).A_{{\rm free}}=-\sum_{a=1}^{n}Z_{a}\frac{1}{\pi}\int\frac{d\zeta}{\zeta^{2}}\log(1+\hat{Y}_{a}). (4.9)

Y^\hat{Y}该写作Y函数的形式,并利用大ζ\zeta展开重复同样的计算并取平均,我们得到极小面积的非平庸部分的最终形式141414利用ODE/IM对应,我们可以从线性问题推导出Bethe拟设方程以及相应的非线性积分方程,其自由能同样的可以给出此面积[35]

Afree=adθ2π|ma|coshθlog(1+Y~).A_{{\rm free}}=\sum_{a}\int\frac{d\theta}{2\pi}|m_{a}|\cosh\theta\log(1+\tilde{Y}). (4.10)

我们发现AfreeA_{{\rm free}} 与量子可积系统TBA方程的自由能具有相同的形式。选取多项式p(z)p(z),我们可以得到质量mam_{a},进而得到n3n-3个TBA方程。通过(数值)求解TBA方程,我们便得到ζ=1,i\zeta=1,i时的Y函数,它们将给出相应的交比(2.34),(2.35),从而决定Wilson圈的具体形状。最终,从TBA方程的自由能,我们便能得到相应的极小曲面的面积。

5 总结与展望

本文旨在介绍散射振幅/Wilson圈对偶中极小曲面面积的计算,该极小曲面以AdS边界处的类光多边形Wilson圈为边界。鉴于运动学方程的非线性以及复杂的边界条件,直接求解运动学方程以计算面积十分困难。本文回顾了绕开对运动学方程的直接求解,并利用热力学 Bethe 拟设的自由能计算极小曲面面积的方法。由于篇幅所限,本文仅能顾及热力学 Bethe 拟设和散射振幅相关话题的一个侧面。以下是本文相关的后续发展与展望:

AdS5空间中的极小曲面

同样地,我们可以对AdS5的经典弦的运动做Pohlmeyer约化,得到相应的经典偏微分方程组[23, 36, 37],以及与之等价的特定SU(4)Hitchin系统。从这一Hitchin系统,我们可推导出Y系统以及相应的TBA方程,其自由能同样的描述了极小曲面面积的非平庸部分[24, 38, 39]。在此框架下,对面积的讨论将更为便捷,使我们能够完整计算出BDS假设在强耦合下的偏离。

形状因子

散射振幅/Wilson圈对偶可以自然地扩展到形状因子kiin|𝒪(q)|kjout\braket{k^{\rm in}_{i}}{{\cal O}(q)}{k^{\rm out}_{j}}。由于算符𝒪(q){\cal O}(q)携带的动量,胶子的总动量q0q\neq 0,T-对偶后我们将得到一个周期性的Wilson线(Wilson line)[40]。通过,修改Hitchin系统的边界条件,便能重现相应的极小曲面。同样地,我们可以推导出相应的TBA方程以及自由能以计算其面积[41, 42]

非平面散射振幅

在AdS/CFT对应关系的背景下,非平面散射振幅的研究一直是一项艰巨的任务,其主要困难在于非平面情况下黎曼曲面的高亏格。为了克服这一困难,可将高亏格的黎曼曲面切割成圆盘,以便在这些圆盘上运用平面极限下的成熟技术,随后将它们拼接起来。基于这一思路,Ben-Israel,Tumanov和Sever提出了(切割后的)非平面散射振幅与多条Wilson线的关联函数的对偶性[43]。在强耦合,我们可以从Hitchin系统引入Fock-Goncharov坐标,并推导出TBA方程计算以多条类光周期性Wilson线为边界的极小曲面面积得到切割后的非平面散射振幅[44]151515这种推导TBA方程的做法更具一般性,其也被用到AdS空间中关联函数的计算[45]

五边形OPE

基于算符乘积展开(OPE),Alday与Basso等人将Wilson圈分割为四边形与五边形,并利用Gubser-Klebanov-Polyakov真空之上的世界面S矩阵,提出了一种在任意耦合强度下自举的计算共线散射振幅/Wilson圈的方法[46, 47]。这种做法被称作五边形OPE。在强耦合极限下,此方法可以重现出AdS5相关的Y系统以及TBA方程[48]。进一步的,五边形OPE被扩展到了形状因子[49, 50]以及非平面散射振幅的情形[43]

对于ODE/IM对应的影响

从线性问题构造Y系统以及TBA方程的方法被视为对ODE/IM对应的扩展,受此启发Lukyanov等人发现了修改sinh-Gordon方程和量子sine-Gorodn模型的对应[51]161616目前的研究仅限于p(z)=z2αs2αp(z)=z^{2\alpha}-s^{2\alpha}的情形。。这种对应被称作线性ODE/IQFT对应或者有质量ODE/IM对应。该对应进一步的被扩展到更高秩[53, 54]以及更一般代数的情形[55, 56, 57, 58]。通过对偏微分方程的线性问题取光锥极限(共形极限)171717对应的Hitchin系统的极限见[59],对应的量子可积系统以及TBA方程将回归到共形场论相关的ODE/IM对应。值得强调的是,受这一系列发展的影响,我们可以从多项式势能的一维量子力学的薛定谔方程出发,推导出描述严格量子周期(quantum period)的TBA方程。利用TBA方程的解析性,我们可以重现量子周期所满足的渐近行为以及非连续性。这一发现极大地促进我们对复现(resurgence)构造的理解,并很快地被扩展到了更一般势能的薛定谔方程[60, 61, 62]181818对于Mathieu 方程相关的ODE/IM对应的工作见[63, 64, 65]以及高阶微分方程的情形[66, 67]

致谢

HS非常感谢Davide Fioravanti, Katsushi Ito,欧阳昊以及Marco Rossi在相关方向的合作,并感谢Alfredo Bonini, Simone Piscaglia, Yuji Satoh, Amit Sever, 杨刚以及Dmytro Volin 在相关问题上的讨论。另外,HS非常感谢“Gravity, Field Theories, and Their Relations 2024 – Integrability: From Mathematics to Experiments”以及“International Workshop on Exact Methods in Quantum Field Theory and String Theory”的支持,本文的撰写在相关学术活动中得到了极大地推进与启发。本工作由国家自然基金委青年 基金项目(No.12405087)以及郑州大学启动经费(No.121-35220049)支持。

References

  • [1] J. M. Maldacena, “The Large N limit of superconformal field theories and supergravity,” Adv. Theor. Math. Phys. 2, 231-252 (1998) [arXiv:hep-th/9711200 [hep-th]].
  • [2] S. S. Gubser, I. R. Klebanov and A. M. Polyakov, “Gauge theory correlators from noncritical string theory,” Phys. Lett. B 428, 105-114 (1998) [arXiv:hep-th/9802109 [hep-th]].
  • [3] E. Witten, “Anti-de Sitter space and holography,” Adv. Theor. Math. Phys. 2, 253-291 (1998) [arXiv:hep-th/9802150 [hep-th]].
  • [4] N. Beisert, C. Ahn, L. F. Alday, Z. Bajnok, J. M. Drummond, L. Freyhult, N. Gromov, R. A. Janik, V. Kazakov and T. Klose, et al. “Review of AdS/CFT Integrability: An Overview,” Lett. Math. Phys. 99, 3-32 (2012) [arXiv:1012.3982 [hep-th]].
  • [5] I. Bena, J. Polchinski and R. Roiban, “Hidden Symmetries of the AdS×5S5{}_{5}\times S^{5} Superstring,” Phys. Rev. D 69, 046002 (2004) [arXiv:hep-th/0305116 [hep-th]].
  • [6] J. A. Minahan and K. Zarembo, “The Bethe ansatz for N=4 superYang-Mills,” JHEP 03, 013 (2003) [arXiv:hep-th/0212208 [hep-th]].
  • [7] L. F. Alday and J. M. Maldacena, “Gluon scattering amplitudes at strong coupling,” JHEP 06, 064 (2007) [arXiv:0705.0303 [hep-th]].
  • [8] N. Berkovits and J. Maldacena, “Fermionic T-Duality, Dual Superconformal Symmetry, and the Amplitude/Wilson Loop Connection,” JHEP 09, 062 (2008) [arXiv:0807.3196 [hep-th]].
  • [9] S. J. Rey and J. T. Yee, “Macroscopic strings as heavy quarks in large N gauge theory and anti-de Sitter supergravity,” Eur. Phys. J. C 22, 379-394 (2001) [arXiv:hep-th/9803001 [hep-th]].
  • [10] J. M. Maldacena, Phys. Rev. Lett. 80, 4859-4862 (1998) doi:10.1103/PhysRevLett.80.4859 [arXiv:hep-th/9803002 [hep-th]].
  • [11] N. Beisert, R. Ricci, A. A. Tseytlin and M. Wolf, “Dual Superconformal Symmetry from AdS(5) x S**5 Superstring Integrability,” Phys. Rev. D 78, 126004 (2008) [arXiv:0807.3228 [hep-th]].
  • [12] Z. Bern, L. J. Dixon and V. A. Smirnov, “Iteration of planar amplitudes in maximally supersymmetric Yang-Mills theory at three loops and beyond,” Phys. Rev. D 72, 085001 (2005) [arXiv:hep-th/0505205 [hep-th]].
  • [13] L. F. Alday and R. Roiban, “Scattering Amplitudes, Wilson Loops and the String/Gauge Theory Correspondence,” Phys. Rept. 468, 153-211 (2008) [arXiv:0807.1889 [hep-th]].
  • [14] J. M. Drummond, J. Henn, G. P. Korchemsky and E. Sokatchev, “Conformal Ward identities for Wilson loops and a test of the duality with gluon amplitudes,” Nucl. Phys. B 826, 337-364 (2010) [arXiv:0712.1223 [hep-th]].
  • [15] J. M. Drummond, J. Henn, G. P. Korchemsky and E. Sokatchev, Nucl. Phys. B 828, 317-374 (2010) doi:10.1016/j.nuclphysb.2009.11.022 [arXiv:0807.1095 [hep-th]].
  • [16] D. Astefanesei, S. Dobashi, K. Ito and H. Nastase, “Comments on gluon 6-point scattering amplitudes in N=4 SYM at strong coupling,” JHEP 12, 077 (2007) [arXiv:0710.1684 [hep-th]].
  • [17] H. Itoyama, A. Mironov and A. Morozov, “Boundary ring: A Way to construct approximate NG solutions with polygon boundary conditions. I. Z(n)-symmetric configurations,” Nucl. Phys. B 808, 365-410 (2009) [arXiv:0712.0159 [hep-th]].
  • [18] H. Itoyama and A. Morozov, “Boundary Ring or a Way to Construct Approximate NG Solutions with Polygon Boundary Conditions. II. Polygons which admit an inscribed circle,” Prog. Theor. Phys. 120, 231-287 (2008) [arXiv:0712.2316 [hep-th]].
  • [19] S. Dobashi and K. Ito, “Discretized Minimal Surface and the BDS Conjecture in N=4 Super Yang-Mills Theory at Strong Coupling,” Nucl. Phys. B 819, 18-34 (2009) [arXiv:0901.3046 [hep-th]].
  • [20] D. Gaiotto, G. W. Moore and A. Neitzke, Commun. Math. Phys. 299, 163-224 (2010) doi:10.1007/s00220-010-1071-2 [arXiv:0807.4723 [hep-th]].
  • [21] D. Gaiotto, G. W. Moore and A. Neitzke, “Wall-crossing, Hitchin systems, and the WKB approximation,” Adv. Math. 234, 239-403 (2013) [arXiv:0907.3987 [hep-th]].
  • [22] L. F. Alday and J. Maldacena, “Null polygonal Wilson loops and minimal surfaces in Anti-de-Sitter space,” JHEP 11, 082 (2009) [arXiv:0904.0663 [hep-th]].
  • [23] L. F. Alday, D. Gaiotto and J. Maldacena, “Thermodynamic Bubble Ansatz,” JHEP 09, 032 (2011) [arXiv:0911.4708 [hep-th]].
  • [24] L. F. Alday, J. Maldacena, A. Sever and P. Vieira, J. Phys. A 43, 485401 (2010) doi:10.1088/1751-8113/43/48/485401 [arXiv:1002.2459 [hep-th]].
  • [25] Y. Hatsuda, K. Ito, K. Sakai and Y. Satoh, “Thermodynamic Bethe Ansatz Equations for Minimal Surfaces in AdS3AdS_{3},” JHEP 04, 108 (2010) [arXiv:1002.2941 [hep-th]].
  • [26] K. Pohlmeyer, “Integrable Hamiltonian Systems and Interactions Through Quadratic Constraints,” Commun. Math. Phys. 46, 207-221 (1976)
  • [27] H. J. De Vega and N. G. Sanchez, “Exact integrability of strings in D-Dimensional De Sitter space-time,” Phys. Rev. D 47, 3394-3405 (1993)
  • [28] P. Dorey and R. Tateo, J. Phys. A 32, L419-L425 (1999) doi:10.1088/0305-4470/32/38/102 [arXiv:hep-th/9812211 [hep-th]].
  • [29] V. V. Bazhanov, S. L. Lukyanov and A. B. Zamolodchikov, “Spectral determinants for Schrodinger equation and Q operators of conformal field theory,” J. Statist. Phys. 102, 567-576 (2001) [arXiv:hep-th/9812247 [hep-th]].
  • [30] P. Dorey, C. Dunning and R. Tateo, “The ODE/IM Correspondence,” J. Phys. A 40, R205 (2007) [arXiv:hep-th/0703066 [hep-th]].
  • [31] G. Papathanasiou, “Pohlmeyer reduction and Darboux transformations in Euclidean worldsheet AdS3AdS_{3},” JHEP 08, 105 (2012) [arXiv:1203.3460 [hep-th]].
  • [32] A. B. Zamolodchikov, “On the thermodynamic Bethe ansatz equations for reflectionless ADE scattering theories,” Phys. Lett. B 253, 391-394 (1991)
  • [33] J. Toledo, Notes on wall-crossing, unpublished (2010).
  • [34] J. Toledo, Exact results in QFT: minimal areas and maximal couplings. PhD thesis, University of Waterloo, https://uwspace.uwaterloo.ca/handle/10012/10841, 2016.
  • [35] D. Fioravanti, M. Rossi and H. Shu, “QQQQ-system and non-linear integral equations for scattering amplitudes at strong coupling,” JHEP 12, 086 (2020) [arXiv:2004.10722 [hep-th]].
  • [36] B. A. Burrington and P. Gao, “Minimal surfaces in AdS space and Integrable systems,” JHEP 04, 060 (2010) [arXiv:0911.4551 [hep-th]].
  • [37] B. A. Burrington, “General Leznov-Savelev solutions for Pohlmeyer reduced AdS5 minimal surfaces,” JHEP 09, 002 (2011) [arXiv:1105.3227 [hep-th]].
  • [38] Y. Hatsuda, K. Ito, K. Sakai and Y. Satoh, JHEP 09, 064 (2010) doi:10.1007/JHEP09(2010)064 [arXiv:1005.4487 [hep-th]].
  • [39] Y. Hatsuda, K. Ito and Y. Satoh, JHEP 02, 067 (2013) doi:10.1007/JHEP02(2013)067 [arXiv:1211.6225 [hep-th]].
  • [40] L. F. Alday and J. Maldacena, “Comments on gluon scattering amplitudes via AdS/CFT,” JHEP 11, 068 (2007) [arXiv:0710.1060 [hep-th]].
  • [41] J. Maldacena and A. Zhiboedov, “Form factors at strong coupling via a Ysystem,” JHEP 11, 104 (2010) [arXiv:1009.1139 [hep-th]].
  • [42] Z. Gao and G. Yang, “Ysystem for form factors at strong coupling in AdS5AdS_{5} and with multi-operator insertions in AdS3AdS_{3},” JHEP 06, 105 (2013) [arXiv:1303.2668 [hep-th]].
  • [43] R. Ben-Israel, A. G. Tumanov and A. Sever, “Scattering amplitudes — Wilson loops duality for the first non-planar correction,” JHEP 08, 122 (2018) [arXiv:1802.09395 [hep-th]].
  • [44] H. Ouyang and H. Shu, “TBA-like equations for non-planar scattering amplitude/Wilson lines duality at strong coupling,” JHEP 05, 099 (2022) [arXiv:2202.10700 [hep-th]].
  • [45] J. Caetano and J. Toledo, “χ\chi-systems for correlation functions,” JHEP 01, 050 (2019) [arXiv:1208.4548 [hep-th]].
  • [46] L. F. Alday, D. Gaiotto, J. Maldacena, A. Sever and P. Vieira, “An Operator Product Expansion for Polygonal null Wilson Loops,” JHEP 04, 088 (2011) [arXiv:1006.2788 [hep-th]].
  • [47] B. Basso, A. Sever and P. Vieira, “Spacetime and Flux Tube S-Matrices at Finite Coupling for N=4 Supersymmetric Yang-Mills Theory,” Phys. Rev. Lett. 111, no.9, 091602 (2013) [arXiv:1303.1396 [hep-th]].
  • [48] A. Bonini, D. Fioravanti, S. Piscaglia and M. Rossi, “Strong Wilson polygons from the lodge of free and bound mesons,” JHEP 04, 029 (2016) [arXiv:1511.05851 [hep-th]].
  • [49] A. Sever, A. G. Tumanov and M. Wilhelm, “Operator Product Expansion for Form Factors,” Phys. Rev. Lett. 126, no.3, 031602 (2021) [arXiv:2009.11297 [hep-th]].
  • [50] Y. Guo, L. Wang and G. Yang, “Analytic Four-Point Lightlike Form Factors and OPE of Null-Wrapped Polygons,” [arXiv:2209.06816 [hep-th]].
  • [51] S. L. Lukyanov and A. B. Zamolodchikov, “Quantum Sine(h)-Gordon Model and Classical Integrable Equations,” JHEP 07, 008 (2010) [arXiv:1003.5333 [math-ph]].
  • [52] P. Dorey, S. Faldella, S. Negro and R. Tateo, “The Bethe Ansatz and the Tzitzeica-Bullough-Dodd equation,” Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A 371, 20120052 (2013) [arXiv:1209.5517 [math-ph]].
  • [53] P. Dorey, S. Faldella, S. Negro and R. Tateo, “The Bethe Ansatz and the Tzitzeica-Bullough-Dodd equation,” Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A 371, 20120052 (2013) [arXiv:1209.5517 [math-ph]].
  • [54] K. Ito and H. Shu, “Massive ODE/IM Correspondence and Non-linear Integral Equations for Ar(1)A_{r}^{(1)}-type modified Affine Toda Field Equations,” J. Phys. A 51, no.38, 385401 (2018) [arXiv:1805.08062 [hep-th]].
  • [55] K. Ito and C. Locke, “ODE/IM correspondence and modified affine Toda field equations,” Nucl. Phys. B 885, 600-619 (2014) [arXiv:1312.6759 [hep-th]].
  • [56] K. Ito and C. Locke, “ODE/IM correspondence and Bethe ansatz for affine Toda field equations,” Nucl. Phys. B 896, 763-778 (2015) [arXiv:1502.00906 [hep-th]].
  • [57] K. Ito and H. Shu, “ODE/IM correspondence for modified B2(1)B_{2}^{(1)} affine Toda field equation,” Nucl. Phys. B 916, 414-429 (2017) [arXiv:1605.04668 [hep-th]].
  • [58] K. Ito, T. Kondo, K. Kuroda and H. Shu, “ODE/IM correspondence for affine Lie algebras: A numerical approach,” J. Phys. A 54, no.4, 044001 (2021) [arXiv:2004.09856 [hep-th]].
  • [59] D. Gaiotto, “Opers and TBA,” [arXiv:1403.6137 [hep-th]].
  • [60] K. Ito, M. Mariño and H. Shu, “TBA equations and resurgent Quantum Mechanics,” JHEP 01, 228 (2019) [arXiv:1811.04812 [hep-th]].
  • [61] K. Ito and H. Shu, “TBA equations for the Schrödinger equation with a regular singularity,” J. Phys. A 53, no.33, 335201 (2020) [arXiv:1910.09406 [hep-th]].
  • [62] K. Ito and H. Shu, “TBA equations and exact WKB analysis in deformed supersymmetric quantum mechanics,” JHEP 03, 122 (2024) [arXiv:2401.03766 [hep-th]].
  • [63] A. Zamolodchikov, Quantum Field Theories in two dimensions: Collected works of Alexei Zamolodchikov - Generalized Mathieu Equation and Liouville TBA, vol. 2. World Scientific, 2012.
  • [64] A. Grassi, J. Gu and M. Mariño, “Non-perturbative approaches to the quantum Seiberg-Witten curve,” JHEP 07, 106 (2020) [arXiv:1908.07065 [hep-th]].
  • [65] D. Fioravanti and D. Gregori, “Integrability and cycles of deformed 𝒩=2{\cal N}=2 gauge theory,” Phys. Lett. B 804, 135376 (2020) [arXiv:1908.08030 [hep-th]].
  • [66] K. Ito, T. Kondo, K. Kuroda and H. Shu, “WKB periods for higher order ODE and TBA equations,” JHEP 10, 167 (2021) [arXiv:2104.13680 [hep-th]].
  • [67] K. Ito, T. Kondo and H. Shu, “Wall-crossing of TBA equations and WKB periods for the third order ODE,” Nucl. Phys. B 979, 115788 (2022) [arXiv:2111.11047 [hep-th]].