5
Type to enter text Welcome to the Department of Theore1cal Physics at TIFR, Mumbai. We are interested in the theore1cal descrip1on of our universe over a huge energy range, from fundamental Planck scale of 10 28 eV in string theory to ultralow energy scales of 10 13 eV in cold atomic gases and everything in between. The research ac1vity in the department has four broad focus areas: condensed maKer and sta1s1cal physics, cosmology and astropar1cle physics, high energy physics, string theory and mathema1cal physics. Our research interests overlap across these areas. We try to find new laws of nature as well as novel manifesta1ons of known laws. We try to find exact solu1ons, and develop approxima1ons as well as numerical techniques to understand the complex phenomena occurring in the universe. For a peek into this fascina1ng world, keep reading ..... and visit our website at www.theory.1fr.res.in Department of Theore1cal Physics Faculty Members Mustansir Barma Rajeev Bhalerao Kedar Damle Basudeb Dasgupta Saumen DaKa Deepak Dhar Amol Dighe Rajiv Gavai Sourendu Gupta Rishi Khatri Subhabrata Majumdar Gautam Mandal Nilmani Mathur Shiraz Minwalla Sreerup Raychaudhuri Tuhin Roy Rajdeep Sensarma Rishi Sharma K. Sridhar Vikram Tripathi Sandip Trivedi Department of Theore1cal Physics, Tata Ins1tute of Fundamental Research Homi Bhabha Road, Colaba Mumbai 400005

DTP Brochure 2 - TIFRvsrp/Brochures/DTP_Brochure.pdf · 2015. 12. 23. · Cosmology!and!Astropar1cle!Physics! Members:!!Amol!Dighe!!!!!SubhabrataMajumdar!!!!!Sandip!Trivedi!!Cosmological!research!has!entered!its!golden!age.!Long!abounding

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: DTP Brochure 2 - TIFRvsrp/Brochures/DTP_Brochure.pdf · 2015. 12. 23. · Cosmology!and!Astropar1cle!Physics! Members:!!Amol!Dighe!!!!!SubhabrataMajumdar!!!!!Sandip!Trivedi!!Cosmological!research!has!entered!its!golden!age.!Long!abounding

Type to enter text

       Welcome  to  the  Department  of  Theore1cal  Physics  at  TIFR,  Mumbai.    

       We  are  interested  in  the  theore1cal  descrip1on  of  our  universe  over  

         a  huge  energy  range,  from  fundamental  Planck  scale  of  1028  eV  in

string  theory  to  ultra-­‐low  energy  scales  of  10-­‐13  eV  in  cold  atomic  gases            and  everything  in  between.  The  research  ac1vity  in  the  department  has  

       four  broad  focus  areas:  condensed  maKer  and  sta1s1cal  physics,  

       cosmology  and  astro-­‐par1cle  physics,  high  energy  physics,  string  theory    

       and  mathema1cal  physics.  Our  research  interests  overlap  across  these    

       areas.  

       

       We  try  to  find  new  laws  of  nature  as  well  as  novel  manifesta1ons  of  

       known  laws.  We  try  to  find  exact  solu1ons,  and  develop  approxima1ons  

       as  well  as  numerical  techniques  to  understand  the  complex    

     phenomena  occurring  in  the  universe.  For  a  peek  into  this  fascina1ng    

     world,  keep  reading  .....  and  visit  our  website  at  

www.theory.1fr.res.in

1/1 Unnamed Doc (#1)2014-02-19 19:13:33

Department  of  Theore1cal  Physics

Faculty  Members              Mustansir  Barma  Rajeev  Bhalerao  

 Kedar  Damle    

Basudeb  Dasgupta    

Saumen  DaKa    

Deepak  Dhar    

Amol  Dighe  

Rajiv  Gavai    

Sourendu  Gupta    

Rishi  Khatri  

Subhabrata  Majumdar  

 Gautam  Mandal    

Nilmani  Mathur  

Shiraz  Minwalla    

Sreerup  Raychaudhuri    

Tuhin  Roy    

Rajdeep  Sensarma  

Rishi  Sharma  

K.  Sridhar    

Vikram  Tripathi  

 Sandip  Trivedi    

   Department  of  Theore1cal  Physics,    Tata  Ins1tute  of  Fundamental  Research    Homi  Bhabha  Road,  Colaba  Mumbai  400005

Page 2: DTP Brochure 2 - TIFRvsrp/Brochures/DTP_Brochure.pdf · 2015. 12. 23. · Cosmology!and!Astropar1cle!Physics! Members:!!Amol!Dighe!!!!!SubhabrataMajumdar!!!!!Sandip!Trivedi!!Cosmological!research!has!entered!its!golden!age.!Long!abounding

             Condensed  MaKer  and  Sta1s1cal  Physics

Members:    Mustansir  Barma          Deepak  Dhar          Kedar  Damle          Rajdeep  Sensarma          Vikram  Tripathi

     Welcome  to  the  theore1cal  condensed        maKer  and  sta1s1cal  physics  group  in          the  department.  We  have  two  broad          focus  areas:  applica1on  of  classical          sta1s1cal  mechanics  models  to  diverse          physical  phenomena  ,  and  explana1on        of  the  emergent  proper1es  of  strongly          interac1ng  quantum  many-­‐body        systems.                          A  system  of  many  interac1ng  par1cles  can  exhibit  qualita1vely  different  behavior  from  a  single  or  a  few  par1cles.          Interac1ons  can  lead  to  emergent  phenomena  like  magne1sm,  superconduc1vity  or  superfluidity  etc.  where          the  behavior  of  the  system  changes  suddenly  as  parameters  like  temperature  or  magne1c  field  are  varied.        Condensed  maKer  theory  provides  the  tools  to  understand  the  sta1c  and  dynamic  proper1es  of  these  systems.  

   If  the  interac1ons  between  the  par1cles  are  stronger  than  their  kine1c  energy,the  theore1cal  descrip1on  becomes      immensely    complicated.  For  high  temperature  superconductors,  the  well  known  pillars  of  solid  state  physics  like        band  theory,  Fermi  liquid  theory  and  BCS  theory  of  superconduc1vity,  all  fail  and  we  have  to  search  for  new    

               We  also  study  the  proper1es  of  ultracold  atomic  gases,  where          models  relevant  to  other  condensed  maKer  system  can  be  designed          with  easily  tunable  parameters.  In  these  systems,  we  also  study          non-­‐equilibrium  dynamics  of  strongly  interac1ng  quantum          many-­‐body  systems,  a  field  which  has  opened  up  in  recent  years.

             This    simple  picture  of  a  compe11on  between  kine1c  and  interac1on          energies  is  complicated  by  the  presence  of  frustra1on,  which  leads          to  degeneracies  in  the  system.  We  are  interested  in    understanding        how  these  systems  explore  the  phase  space.

           Some  topics  we  work  on:  

•  Realis1c  models  of  the  glassy  state  with              broken  ergodicity.  •  Equilibrium  (solid-­‐fluid)  and  non-­‐equilibrium          (jamming)  phase  transi1ons  in  systems  with            hard  core  repulsion.  

•  Propor1onate  growth  in  animals,  protein-­‐            folding,  global  climate  as  non  equilibrium          steady  state  of  periodically  driven  systems.  •  Agent  based  models  of  markets  and              opinion  forma1on.  

•  Physics  of  high  Tc  superconductors.  •  Magne1c  response  of  MoK  insulators  with            interes1ng  magne1c  proper1es.  •  Effect  of  spin  and  charge  impuri1es  on  spin            liquids  and  topological  insulators.  •  Detailed  phenomenology  of  diluted  magne1c        semiconductors  and  granular  superconductors  •  Phenomenology  of  graphene  and  related            materials.  •  Search  for  novel  equilibrium  and  non-­‐      equilibrium  states  with  ultracold  atomic  gases.  •  Development  of  techniques  to  understand              real  1me  response  of  strongly  interac1ng              systems.  

             Materials  in  the  laboratory  inevitably  have  a  lot  of  dirt  and  we  study          the  effects  of  spin  and  charge  impuri1es  on  the  proper1es  of  novel      states  like  quantum  spin  liquids  and  topological  insulators  and  its        connec1on  with  the  well  known  Kondo  effect  in  metals.

More is different -­‐-­‐  P.  W.  Anderson

           We  aKempt  to  extend  the  use  of        sta1s1cal  physics  model  to  other        disciplines  to  build  models  of  stock      markets,  biological  growth  and        protein  folding  etc.  Non-­‐equilibrium        models  of  aggrega1on  and  chipping        have  been  studied  to  model        molecular  transport  in  cells.

Spin orbit coupling

in cold atoms

A Pattern produced by Eulerian walkers

Page 3: DTP Brochure 2 - TIFRvsrp/Brochures/DTP_Brochure.pdf · 2015. 12. 23. · Cosmology!and!Astropar1cle!Physics! Members:!!Amol!Dighe!!!!!SubhabrataMajumdar!!!!!Sandip!Trivedi!!Cosmological!research!has!entered!its!golden!age.!Long!abounding

Cosmology  and  Astropar1cle  Physics  

Members:    Amol  Dighe          Subhabrata  Majumdar          Sandip  Trivedi

   Cosmological  research  has  entered  its  golden  age.  Long  abounding  in  theories  but  lacking  enough  data,  over  the  last        quarter  century  it  has  entered  the  realm  of  ‘precision  science’.  The  area  has  seen  emergence  of  the  so  called        ’Standard  Cosmological  Model’,  where  the  structure,  evolu1on  and  nature  of  the  universe  and  all  its  contents  are        beau1fully  described  by  few  parameters  which  are  now  being  determined  with  increasing  precision.  And  yet,  the    

   more  we  unravel,  the  more  mysteries  we  find  -­‐  the  mystery  of  dark  maKer  and  dark  energy,  the  paradigm  of        infla1on,  the  violent  explosions  and  energe1cs,  the  mind-­‐boggling  large  structures  and  the  onset  and  end  of  the  dark  

   ages  in    our  universe.  Even  knowledge  of  our  own  Milky  Way  has  to  be  embedded  in  our  knowledge  of  the  cosmos.

       Cosmology  and  Astropar1cle  Physics  is  the  newest  sub-­‐area  of  research  in    the  department  and  is  poised  for  rapid          growth.  Its  present  members  include  Subhabrata  Majumdar  and  Rishi  Khatri,  who  work  on  both  theore1cal  and            observa1onal  cosmology.  Sandip  Trivedi  is  interested  in  cosmology  from  perspec1ve  of  string  theory.  Amol  Dighe            and  Basudeb  Dasgupta  are  interested  in  astropar1cle  physics:  the  implica1ons  of  the  standard  model  of  par1cle          physics  for    astronomical  systems.          The  main  research  areas  in  CAP  are  mo1vated  by  the  vision  which  tries  to  address  the  following  big  ques1ons

Cosmology  and  Astropar1cle  Physics  

Members:    Basudeb  Dasgupta            Amol  Dighe          Rishi  Khatri            Subhabrata  Majumdar          Sandip  Trivedi

  Cosmology  is  an  area  of  science  that  assimilates  ideas  from  all  branches  of  physics  –  for  example,  general  theory    of      rela1vity,  which  tells  us  how  the  universe  grows  in  size  or  how  light  is  lensed  by  maKer,  quantum  field  theory    in  the        early  universe,  nuclear  physics  describing  how  different  elements  came  into  being,  plasma  physics  and  fluid    mechanics,  which  governs  the  interac1on  of  photons  and  maKer,  to  Newtonian  gravity  which  determines  local    dynamics  in  galaxies  and  cluster  of  galaxies.  The  field  is  also  unique  in  the  connec1on  it  makes  between  the  very  large          and  the  very  small  –  for  example,  one  way  to  search  for  the  invisible  dark  maKer  that  cons1tutes  roughly  one    quarter  of  our  universe  is  to  do  par1cle  physics  experiments  like  those  at  the  LHC.  In  fact,  there  are  massive  surveys    some  of  which  are  taking  place  now  and  some  are  being  planned  to  start  in  the  future,  like  Planck,  DES,  EUCLID,  LSST,      SKA,  etc  with  aim  of    understanding  our  universe.

•  What  are  dark  maKer  and  dark  energy?  

•  What  causes  cosmic  infla1on  ?  

•  What  goes  on  inside  galaxies?  

•  When  did  the  universe  end  its  dark  ages  and  how?  

•  How  has  the  universe  evolved  over  1me?  

•  What  are  the  signatures  of  early  universe  physics  that  can  be  probed?  

•  What  role  does  neutrinos  play  in  our  universe?

     Some  specific  topics  that  are  of  current  interest  are:  

•The  informa1on  hidden  in  the  spectral  distor1ons  of  the  cosmic  microwave  background  

•  Es1ma1ng  the  parameters  of  the  standard  model  of  cosmology  by  combining  probes  of  cosmic  microwave        background  (CMB),  supernovae  (SNe)  ,  baryon  acous1c  oscilla1ons  (BAO)  and  galaxy  clusters.    •Involvement  in  surveys  to  probe  dark  maKer  and  dark  energy.  The  data  from  these  surveys  are  also  used        to  understand  the  growth  of  structures  seeded  by  ini1al  perturba1ons  on  a  smooth  universe  due  to  Infla1on.        Thus  connec1ons  are  made  between  the  very  early  and  late  universe.  The  large  scale  structure  that  one  finds        from  the  survey  data  can  also  be  used  to  look  for  devia1ons  from  Einstein’s  theory  of  gravity.    •Topics  at  the  interface  of  string  theory  and  cosmology  include  cosmological  string  compac1fica1ons  and  the      role  of  AdS/CFT  in  understanding  the  resolu1on  of  cosmological  singulari1es.  •  Since  visible  maKer  trace  the  dark  universe,  considerable  effort  is  given  to  study  the  synergies  between        cosmology  and  visible  traces,  their  physics,  energe1cs,  structure  and  evolu1on.  These  can  be  connected  to  studies        of  the  distor1on  of  the  CMB  at  small  scales.  •Topics  in  astro-­‐par1cle  physics  including  neutrino  mass  constraints  from  cosmological  surveys  and  the  role        of  neutrinos  in  the  spectacular  supernova  explosion,  baryogenesis  and  nucleosynthesis.  

Cosmology(with(clusters(

The(space(density(of(clusters(with(redshi7(

Page 4: DTP Brochure 2 - TIFRvsrp/Brochures/DTP_Brochure.pdf · 2015. 12. 23. · Cosmology!and!Astropar1cle!Physics! Members:!!Amol!Dighe!!!!!SubhabrataMajumdar!!!!!Sandip!Trivedi!!Cosmological!research!has!entered!its!golden!age.!Long!abounding

High  Energy  Physics          Par1cle  physics  is  the  study  of  the  basic  structure  of  maKer  using  the  language      of  rela1vis1c  quantum  field  theories.  These  theories  then  predict  exo1c        par1cles  and  their  proper1es,  the  outcomes  of  a  variety  of  high-­‐energy    

   collider  experiments  such  as  at  the  LHC,  the  RHIC  and  the  FAIR,  as  well  as  of        high-­‐energy  cosmic  phenomena  such  as  in  supernovae,  neutron  stars  and  the      hot  environment  of  the  early  universe.  The  building  of  models,  as  well  as        explora1on  of  their  implica1ons  are  pursued  in  the  department.

         The  interac1ons  of  various  kinds  of  maKer  are  organized  by  the  symmetry  of  the  interac1on.  The  standard  model  of        par1cle  physics  combines  the  strong  with  the  electric  and  weak  interac1ons.  This  uses  the  gauge  symmetry    

   SU(3)XSU(2)XU(1).  All  parts  of  this  are  subjects  of  intense  inves1ga1on  all  over  the  world,  and  in  our  department.

Members:    Rajeev  Bhalerao          Saumen  DaKa          Amol  Dighe          Rajiv  Gavai          Sourendu  Gupta          Nilmani  Mathur            

Sreerup  Raychaudhuri      Tuhin  Roy        Rishi  Sharma          K  Sridhar  

         Now  that  the  Higgs  par1cle  has  been  discovered  in  experiments  at  the  LHC,  those  of  us  who  are  interested  in  the      SU(2)XU(1)  (also  known  as  the  electro-­‐weak  part  because  it  combines  electromagne1sm  with  the    weak  interac1ons)      part  of  the  standard  model  are  focussing  on  the  iden1fica1on  of  physics  which  lies  beyond  the  standard  model.  Are        there  new  par1cles?  Are  there  new  interac1ons?  Are  there  new  symmetries?  An  interes1ng  theory  for  physics        beyond  the  standard  model  is  supersymmetry  which  posits  a  symmetry  between  fermions  and  bosons,  and  has  been      an  important  focus  of  research  done  here.  Another  possibility  is  that  the  universe  has  spa1al  dimensions  other  than      the  three  we  see  in  daily  life.

           One  way  to  inves1gate  these  possibili1es  is  via  colliding  par1cles  at  energies  well  above  the  Higgs  mass.  We  hope          that  the  upcoming  results  from  higher  energy  collisions  at  the  LHC  will  shed  light  on  all  these  fundamental  ques1ons.        Another  way  to  study  the  physics  of  the  electro-­‐weak  interac1ons  and  physics  beyond  standard  model  is  via          neutrino  oscilla1ons  and  the  physics  of  quark  flavor  transforma1ons:  research  also  pursued  at  the  department.  

1/2+

3/2+

5/2+

7/2+ 1/2

-3/2

-5/2

-7/2

-0.0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

m -

3/2

c (G

eV)

         The  study  of  quarks  and  gluons,  ie,  the  strong  interac1on,  brings  us  to  the      SU(3)  part  of  the  standard  model.  This  is  called  Quantum  Chromo  

   Dynamics  (QCD).  Strong  interac1ons  have  generated  the  maximum        number  of  Nobel  prize  winning  ideas  in  physics,  and  is  a  very  fer1le  field      of  research.    Some  of  these  ques1ons  require  us  to  do  quantum  field      theory  on  supercomputers.  For  example,  we  use  supercomputers  to        study  the  composi1on,  masses  and  interac1ons  of  exo1c  hadrons.  

   In  par1cle  physics,  as  elsewhere,  more  can  be  different.  The  sta1s1cal  mechanics  of  quarks  gives  rise  to  many          

   different  states  of  maKer.  We  study  the  phase  diagram  of  quarks  and  hadrons;  a  weird  new  phase  is  a  plasma  of    

   quarks  and  gluons  (QGP).    This  may  be  formed  in  the  collisions  of  heavy  nuclei  at  high-­‐energy  colliders,  where  it  can    

   be  studied  using  the  fluid  dynamics  of  rela1vis1c  maKer.    The  QGP  is  also  important  for  an  understanding  of  the  early    

   universe.    Neutron  stars,  on  the  other  hand,  could  have  superconduc1ng  phases  of  QCD,  which  could  affect  

   their  visible  proper1es.  

Spectra of Triply Heavy Baryons

Page 5: DTP Brochure 2 - TIFRvsrp/Brochures/DTP_Brochure.pdf · 2015. 12. 23. · Cosmology!and!Astropar1cle!Physics! Members:!!Amol!Dighe!!!!!SubhabrataMajumdar!!!!!Sandip!Trivedi!!Cosmological!research!has!entered!its!golden!age.!Long!abounding

String  Theory  and  Mathema1cal  Physics

Members:    Amol  Dighe          Subhabrata  Majumdar          Sandip  Trivedi

The  standard  model  of  par1cle  physics  -­‐  which  accounts  for  all  observed  fundamental  forces  except  gravity  -­‐    is        formulated  within  the  framework  of  quantum  field  theory.  The  `standard  model'  of  cosmology,  in  which            gravita1onal  physics  plays  a  fundamental  role,  is  formulated  largely  within  the  theory  of  classical  (or  semiclassical)      fields  interac1ng  with  a  dynamical  but  classical  space-­‐1me  geometry.  Any  aKempt  to  describe  phenomena  for  which        quantum  fluctua1ons  of  space-­‐1me  are  important  appears  to  require  a  framework  that  generalizes  and  subsumes        these  two  frameworks.  String  theory  is  an  aKempt  to  construct  such  a  framework.  

   There  are  two  broad  themes  of  research  in  string  theory.  The  first  is  to  try  to  understand  the  space  of  vacua  of          string  theory  in  order  to  iden1fy  the  string  vacuum  that  might  describe  the  observed  universe.  The  second  is  to          study  specially  simple  and  symmetric  string  vacua  in  detail,  in  order  to  derive  universal  general  lessons  about          quantum  gravita1onal  dynamics.  A  key  tool  in  this  second  endeavor  is  the  AdS/CFT  correspondence,  a  remarkable        conjecture  that  provides  a  nonperturba1ve  descrip1on  of  the  gravita1onal  dynamics  about  some  of  the  vacua  of        string  theory  in  terms  of  a  (conceptually)  well  understood  non  gravita1onal  quantum  field  theory.  Somewhat  

     surprisingly,  the  detailed  study  of  specially  simple  string  vacua  has  substan1ally  broadened  our  understanding  of        the  dynamics  of  strongly  coupled  quantum  field  theories  in  general,  and  is  increasingly  proving  useful  in  the  study          of  strongly  coupled  dynamics  in  diverse  areas  of  physics  -­‐  from  QCD  to  some  systems  in  condensed  maKer  physics.        This  study  has  also  made  contribu1ons  to  ongoing  research  in  modern  mathema1cs.  Members  of  the  string  group          in  TIFR  contribute  to  both  these  broad  streams  of  research,  but  especially  to  the  second  stream.  

     Some  ques1ons  that  the  group  has  recently  focussed  on  are  listed  below:  

•      Construc1on  and  classifica1on  of  string  vacua,  dynamics  and  stability  of  compac1fica1ons.  

•      Microscopic  and  macroscopic  descrip1ons  of  black  hole  entropy,  the  entropy  func1on  formalism,  computa1on  of          topological  indices,    subleading  quantum  and  higher-­‐deriva1ve  correc1ons,  marginal  decays  of  black  holes.  

•      The  rela1onship  between  gravity  and  fluid  dynamics,  generaliza1ons  of  hydrodynamical  equa1ons,  transport            proper1es  of  strongly  interac1ng  maKer  at  high  densi1es  and  temperatures,  superconductors  and  superfluids.  

•      Nonperturba1ve  proper1es  of  string  theory  using  M-­‐theory,  dynamics  and  symmetries  of  mul1ple  membranes    

     and  five-­‐branes.    

•      New  examples  and  limits  in  AdS/CFT,  non-­‐supersymmetric  AdS  compac1fica1ons  in  string  theory,  new  black  hole  

     solu1ons  and  their  dual  field  theory  descrip1ons,  black  hole  -­‐  black  string  phase  transi1ons.  

•      Confinement,  chiral  symmetry  breaking  and  the  dynamics  of  gauge  theories,  non-­‐  rela1vis1c  limits  of  field  theory,    

     Lifshitz  scaling,  RG  flows,  phase  diagram  of  gauge  theories  in  low  dimensions  at  large  N.  

•      New  formula1ons  for  string  dynamics,  matrix  theory,  low-­‐dimensional  string  vacua.    

•      The  study  of  nonsupersymmetric  strong  weak  coupling  duali1es  in  quantum  field  theories  in  three  dimensions,    

     and  the  rela1onship  to  anyonic  sta1s1cs.  

Members:        Gautam  Mandal          Shiraz  Minwalla          Sandip  Trivedi        

4dYM

AdS D4 soliton

Black D4

IIA SUGRA

SS transition

confinement phase

confinement/deconfinement phase transition in 4dYM.deconfinement phase

W0≠0

W0=0

W4=0

W4≠0

W4≠0

W0≠0

W4≠0

W0=0

AdS -SYM Phase diagram