Supersymmetry in Random Matrix Theory
I study the applications of supersymmetry in random matrix theory. I generalize
the supersymmetry method and develop three new approaches to
calculate eigenvalue correlation functions. These correlation functions are
averages over ratios of characteristic polynomials.
In the first part of this thesis, I derive a relation between integrals over
anti-commuting variables (Grassmann variables) and differential operators
with respect to commuting variables. With this relation I rederive Cauchy–
like integral theorems. As a new application I trace the supermatrix Bessel
function back to a product of two ordinary matrix Bessel functions.
In the second part, I apply the generalized Hubbard–Stratonovich transformation
to arbitrary rotation invariant ensembles of real symmetric and
Hermitian self-dual matrices. This extends the approach for unitarily rotation
invariant matrix ensembles. For the k–point correlation functions I
derive supersymmetric integral expressions in a unifying way. I prove the
equivalence between the generalized Hubbard–Stratonovich transformation
and the superbosonization formula. Moreover, I develop an alternative mapping
from ordinary space to superspace. After comparing the results of this
approach with the other two supersymmetry methods, I obtain explicit functional
expressions for the probability densities in superspace.
If the probability density of the matrix ensemble factorizes, then the
generating functions exhibit determinantal and Pfaffian structures. For some
matrix ensembles this was already shown with help of other approaches. I
show that these structures appear by a purely algebraic manipulation. In this
new approach I use structures naturally appearing in superspace. I derive
determinantal and Pfaffian structures for three types of integrals without
actually mapping onto superspace. These three types of integrals are quite
general and, thus, they are applicable to a broad class of matrix ensembles.
Die Untersuchung des Verhältnisses zwischen der Supersymmetrie und der
Zufallsmatrixtheorie steht im Mittelpunkt dieser Arbeit. Es wird die Supersymmetriemethode
verallgemeinert. Weiterhin werden drei neue Berechnungsmethoden
von Eigenwertkorrelationsfunktionen entwickelt. Diese Korrelationsfunktionen
sind Mittelwerte von Quotienten, welche aus charakteristischen
Polynomen aufgebaut sind.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein Zusammenhang zwischen Integralen
über antikommutierenden Variablen (Grassmann–Variablen) und Differentialoperatoren
hergeleitet. Die Differentialoperatoren wirken nur auf den
kommutierenden Anteil der Variablen. Mittels dieses Zusammenhangs werden
Cauchy–ähnliche Integraltheoreme verifiziert. Außerdem werden die
Supermatrix–Bessel–Funktionen auf ein Produkt von zwei gewöhnlichen Matrix–
Bessel–Funktionen zurückgeführt.
Im zweiten Teil wird die verallgemeinerte Hubbard–Stratonovich–Transformation
auf beliebige rotationsinvariante Ensembles über den reell symmetrischen
und hermitesch selbstdualen Matrizen angewandt. Somit wird
ein Ansatz für die unitär rotationsinvarianten Matrixensembles erweitert. Es
werden für die k–Punktkorrelationsfunktionen dieser Ensembles supersymmetrische
Integralausdrücke in vereinheitlichter Form hergeleitet. Weiterhin
wird gezeigt, dass die verallgemeinerte Hubbard–Stratonovich–Transformation
mit der Superbosonisationsformel übereinstimmt. Ebenfalls wird eine
alternative Abbildung von Integralen über gewöhnlichen Matrizen zu Integralen
über Supermatrizen angegeben. Dabei werden explizite funktionale
Ausdrücke für die Wahrscheinlichkeitsdichten über den Superräumen hergeleitet,
welche man durch den Vergleich der Integralausdrücke mit den anderen
beiden Supersymmetriemethoden erhält.
Wenn die Wahrscheinlichkeitsdichte über die Zufallsmatrizen faktorisiert,
dann ergeben sich für die erzeugenden Funktionen Determinantenstrukturen
oder Pfaff’sche Strukturen. Für einzelne Matrixensembles ist dies mit Hilfe
von verschiedenen Berechnungsmethoden schon gezeigt worden. Hier wird
gezeigt, dass diese Strukturen auf rein algebraische Weise enstehen. Die neue
Methode nutzt Strukturen, die man ursprünglich in Superräumen findet. Für
drei Arten von Integralen werden Determinantenausdrücke und
Pfaff’sche Ausdrücke hergeleitet, ohne diese in einem Superraum abzubilden.
Diese drei Integraltypen sind so allgemein, dass sie auf einer sehr grossen
Klasse von Matrixensembles anwendbar sind.
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