<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD with OASIS Tables with MathML3 v1.2d1 20170631//EN" "JATS-journalpublishing-oasis-article1-mathml3.dtd">
<article article-type="research-article" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:oasis="http://www.niso.org/standards/z39-96/ns/oasis-exchange/table"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">PRD</journal-id><journal-id journal-id-type="coden">PRVDAQ</journal-id><journal-title-group><journal-title>Physical Review D</journal-title><abbrev-journal-title>Phys. Rev. D</abbrev-journal-title></journal-title-group><issn pub-type="ppub">2470-0010</issn><issn pub-type="epub">2470-0029</issn><publisher><publisher-name>American Physical Society</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="toc-major"><subject>ARTICLES</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="toc-minor"><subject>Lattice field theories, lattice QCD</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Dirac spectrum and chiral condensate for QCD at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle</article-title><alt-title alt-title-type="running-title">DIRAC SPECTRUM AND CHIRAL CONDENSATE FOR QCD AT …</alt-title><alt-title alt-title-type="running-author">M. KIEBURG, J. J. M. VERBAARSCHOT, AND T. WETTIG</alt-title></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author"><name><surname>Kieburg</surname><given-names>M.</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a1"><sup>1</sup></xref><xref ref-type="author-notes" rid="n1"><sup>,*</sup></xref></contrib><contrib contrib-type="author"><name><surname>Verbaarschot</surname><given-names>J. J. M.</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a2"><sup>2</sup></xref><xref ref-type="author-notes" rid="n2"><sup>,†</sup></xref></contrib><contrib contrib-type="author"><name><surname>Wettig</surname><given-names>T.</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a3"><sup>3</sup></xref><xref ref-type="author-notes" rid="n3"><sup>,‡</sup></xref></contrib><aff id="a1"><label><sup>1</sup></label>Department of Physics, <institution>University of Bielefeld</institution>, 33501 Bielefeld, Germany</aff><aff id="a2"><label><sup>2</sup></label>Department of Physics and Astronomy, <institution>The State University of New York (SUNY)</institution>, Stony Brook, New York 11794, USA</aff><aff id="a3"><label><sup>3</sup></label>Department of Physics, <institution>University of Regensburg</institution>, 93040 Regensburg, Germany</aff></contrib-group><author-notes><fn id="n1"><label><sup>*</sup></label><p><email>mkieburg@physik.uni-bielefeld.de</email></p></fn><fn id="n2"><label><sup>†</sup></label><p><email>jacobus.verbaarschot@stonybrook.edu</email></p></fn><fn id="n3"><label><sup>‡</sup></label><p><email>tilo.wettig@ur.de</email></p></fn></author-notes><pub-date iso-8601-date="2019-04-30" date-type="pub" publication-format="electronic"><day>30</day><month>April</month><year>2019</year></pub-date><pub-date iso-8601-date="2019-04-01" date-type="pub" publication-format="print"><day>1</day><month>April</month><year>2019</year></pub-date><volume>99</volume><issue>7</issue><elocation-id>074515</elocation-id><pub-history><event><date iso-8601-date="2019-01-18" date-type="received"><day>18</day><month>January</month><year>2019</year></date></event></pub-history><permissions><copyright-statement>Published by the American Physical Society</copyright-statement><copyright-year>2019</copyright-year><copyright-holder>authors</copyright-holder><license license-type="creative-commons" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><license-p content-type="usage-statement">Published by the American Physical Society under the terms of the <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International</ext-link> license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI. Funded by SCOAP<sup>3</sup>.</license-p></license></permissions><abstract><p>We analyze the mass dependence of the chiral condensate for QCD at nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle and find that in general the discontinuity of the chiral condensate is not on the support of the Dirac spectrum. To understand this behavior we decompose the spectral density and the chiral condensate into contributions from the zero modes, the quenched part, and a remainder which is sensitive to the fermion determinant and is referred to as the dynamical part. We obtain general formulas for the contributions of the zero modes. Expressions for the quenched part, valid for an arbitrary number of flavors, and for the dynamical part, valid for one and two flavors, are derived in the microscopic domain of QCD. We find that at nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle the quenched and dynamical parts of the Dirac spectral density are strongly oscillating with an amplitude that increases exponentially with the volume <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> and a period of order of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The quenched part of the chiral condensate becomes exponentially large at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, but this divergence is canceled by the contribution from the zero modes. The oscillatory behavior of the dynamical part of the density is essential for moving the discontinuity of the chiral condensate away from the support of the Dirac spectrum. As important by-products of this work we obtain analytical expressions for the microscopic spectral density of the Dirac operator at nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle for both one- and two-flavor QCD with nonzero quark masses.</p></abstract><funding-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="DE"><institution-wrap><institution>Deutsche Forschungsgemeinschaft</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/501100001659</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>CRC 1283</award-id><award-id>SFB/TRR-55</award-id></award-group><award-group award-type="grant"><funding-source country="US"><institution-wrap><institution>U.S. Department of Energy</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100000015</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>DE-FAG-88FR40388</award-id></award-group></funding-group><counts><page-count count="21"/></counts></article-meta></front><body><sec id="s1"><label>I.</label><title>INTRODUCTION</title><p>Topology in the form of instantons and dyons is an important ingredient of the QCD vacuum <xref ref-type="bibr" rid="c1 c2 c3">[1–3]</xref>. The main reason is that the Dirac operator for field configurations with nonzero topological charge has a generic number of exact zero modes, which induce the chiral condensate for massless quarks. At nonzero quark mass, the total number of instantons and anti-instantons is even more important. This number scales with the four-dimensional spacetime volume <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>, unlike the topological charge, which scales as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msqrt><mml:mi>V</mml:mi></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. If instantons and anti-instantons are not strongly overlapping, they give rise to near-zero modes <xref ref-type="bibr" rid="c4">[4]</xref> which determine the value of the chiral condensate. Given the importance of topology for the QCD partition function, it is puzzling that the conjugate parameter, the so-called <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> angle, is consistent with zero according to all available experimental evidence. Nevertheless, theories with nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle have received a great deal of attention both as theories beyond the standard model as well as from a purely theoretical perspective <xref ref-type="bibr" rid="c5 c6 c7 c8 c9 c10">[5–10]</xref>.</p><p>In <xref ref-type="bibr" rid="c11 c12">[11,12]</xref> we have resolved an interesting apparent puzzle for one-flavor QCD at zero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle: the chiral condensate should be independent of the sign of the quark mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>, but the condensate expressed in terms of the Dirac eigenvalues appears to be an odd function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The point is that this function still needs to be averaged over gauge fields, and this average depends on the quark mass through the fermion determinant in such a way that the chiral condensate eventually becomes an even function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This resolution is reviewed in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s2">II</xref>: at negative quark mass, the statistical weight in the average over gauge fields becomes negative, which leads to exponentially large oscillations that can move the discontinuity of the chiral condensate away from the support of the Dirac spectrum and could be shown to yield a mass-independent condensate. In the present paper we extend the work of <xref ref-type="bibr" rid="c11 c12">[11,12]</xref> to arbitrary <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle and to more than one flavor, as already sketched in <xref ref-type="bibr" rid="c13">[13]</xref>. Let us emphasize that for nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> the statistical weight is not only negative but becomes complex.</p><p>To be able to obtain explicit results, most of our calculations are performed in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> domain of QCD (also called the microscopic domain). In this domain the Compton wavelength of the pion is much larger than the size of the box so that the kinetic term of the chiral Lagrangian can be ignored and only the mass term remains. This chiral Lagrangian can also be obtained from a random matrix theory with the same global symmetries as QCD <xref ref-type="bibr" rid="c14 c15">[14,15]</xref>, which makes it possible to find analytical expressions for the spectral density of the Dirac operator using powerful random matrix techniques. Another benefit of working in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> domain is that the chiral condensate can be obtained from the spectral density without any additional regularization. This is important because the spectral density of the Dirac operator is renormalization-group and gauge invariant, while the chiral condensate is only gauge invariant.</p><p>The structure of this paper is as follows. In Sec. <xref ref-type="sec" rid="s2">II</xref> we review the mass dependence of the chiral condensate for one- and two-flavor QCD. The sign problem for QCD at nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle is discussed in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3">III</xref>. A decomposition of the spectral density and the chiral condensate is introduced in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s4">IV</xref>. In Sec. <xref ref-type="sec" rid="s5">V</xref> we derive general analytical expressions for the contributions of the zero modes and of the quenched part of the Dirac spectrum to the chiral condensate and show that each of them increases exponentially with the volume at nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle, but that their sum remains finite. The one-flavor case is worked out in detail in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6">VI</xref>, where we also obtain an expression for the spectral density of the Dirac operator at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle. The two-flavor case is discussed in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s7">VII</xref>, where we derive analytical expressions for the spectral density and the chiral condensate at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle. Concluding remarks are made in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s8">VIII</xref>, and technical details are given in several Appendixes. In particular, in Appendix <xref ref-type="app" rid="app1">A</xref> we obtain identities for sums of products of three and four Bessel functions which, as far as we know, are new.</p><p>Some notes on notation: on the macroscopic scale, the Dirac eigenvalues and the quark masses are denoted by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>, while on the microscopic scale they are denoted by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. For functions of these variables, such as the partition function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the spectral density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> or the chiral condensate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we use the same symbol on the macroscopic and the microscopic scales to simplify the notation. The corresponding functions are of course different, but it should be clear from the arguments of the function what is meant in every case. Also, when we give results for partition functions, we drop irrelevant normalization factors.</p></sec><sec id="s2"><label>II.</label><title>REVIEW OF KNOWN RESULTS</title><p>We consider QCD with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> quark flavors and quark mass matrix <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>diag</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, which we allow to be complex for the time being. The mass matrix appears in the QCD Lagrangian in the form <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> denotes quark fields of definite chirality. For a given gauge-field configuration with topological charge <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the fermion determinant is <disp-formula id="d1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>det</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" width="auto"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>det</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>det</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(1)</label></disp-formula>where the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> are the eigenvalues of the Dirac operator, and the second factor is due to the presence of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> exact zero modes. The partition function for fixed topological charge <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by the average of the fermion determinant over gauge-field configurations with fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Defining <disp-formula id="d2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>⟨</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>det</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2)</label></disp-formula>which only depends on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>diag</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>, the partition function reads <disp-formula id="d3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" width="auto"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>det</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>det</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(3)</label></disp-formula>The partition function at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle is then given by <disp-formula id="d4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d4a1">=</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4a1">=</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4a1">=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>det</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(4)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> defines the phase <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. It is clear that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is a periodic function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and if <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a multiple of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, it is also even in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. It only depends on the sum of the phases of the quark masses, and this sum can be absorbed in a redefinition of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle. The same statement is true for the spectral density, whose mass dependence comes only from the fermion determinant in the statistical measure.</p><p>Therefore, from a mathematical point of view, it suffices to derive results for real and non-negative quark masses. However, we will sometimes consider the “physical” situation where one of the quark masses is taken to be negative. This case can be obtained by shifting <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the mathematical result. Nevertheless, our results assume <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> unless stated otherwise.</p><p>The chiral condensate of flavor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined as <disp-formula id="d5"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d5a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>log</mml:mi><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5)</label></disp-formula>where we have suppressed the dependence of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> and where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>d</mml:mi></mml:math></inline-formula> for “degenerate”) is the number of quarks whose mass equals <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Note that Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5">(5)</xref> is valid both at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> and at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Let us make two remarks here. First, for a real and negative mass, the derivatives in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5">(5)</xref> simply lead to an extra sign (compared with the result for a positive mass). Second, for a genuinely complex mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, one can rewrite the derivatives in terms of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. For the partition function <xref ref-type="disp-formula" rid="d4">(4)</xref> at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> the derivative with respect to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be rewritten as a derivative with respect to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>Let us begin with the case of one flavor of mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Since the free energy is extensive in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the QCD partition function, obtained by expanding the action to lowest order in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>, is given by <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref> <disp-formula id="d6"><mml:math display="block"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(6)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the absolute value of the chiral condensate in the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Since the mass-independent factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> does not contribute to the chiral condensate we will ignore it below. Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d6">(6)</xref> is valid for both positive and negative quark masses. This has the consequence that the chiral condensate from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5">(5)</xref>, <disp-formula id="d7"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(7)</label></disp-formula>does not change sign when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> becomes negative. Assuming nonvanishing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, at first sight this appears to be in contradiction with the Banks-Casher formula <xref ref-type="bibr" rid="c16">[16]</xref>, which expresses the chiral condensate in terms of the eigenvalues <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> of the Dirac operator starting from the relation <disp-formula id="d8"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>⟨</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>⟩</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(8)</label></disp-formula>where the average is over gauge-field configurations. Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref> is valid both at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> and at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The eigenvalues either are zero, giving a term proportional to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>, or occur in pairs <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>±</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, which yield terms of the form <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Thus the function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> appears to be odd in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The resolution of this puzzle is that the statistical weight in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref> contains the fermion determinant, which leads to an additional mass dependence. This resolution was fully worked out in Refs. <xref ref-type="bibr" rid="c11 c12">[11,12]</xref> by an explicit computation of the spectral density and the chiral condensate in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> domain of QCD. Employing identities for sums of products of Bessel functions, the expressions could be summed to give the spectral density at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. For negative mass the resulting expression is increasing exponentially with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> and oscillating with a period that scales as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>. As we know from QCD at nonzero chemical potential <xref ref-type="bibr" rid="c17">[17]</xref>, exactly such behavior of the spectral density can eliminate a discontinuity of the chiral condensate. However, as has already been observed in <xref ref-type="bibr" rid="c18">[18]</xref>, the contributions of both the zero modes and the nonzero modes diverge exponentially with the volume. It turns out <xref ref-type="bibr" rid="c11 c12">[11,12]</xref> that these divergent contributions cancel identically, resulting in a chiral condensate that remains constant in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> domain, i.e., for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mi>QCD</mml:mi></mml:msub><mml:msqrt><mml:mi>V</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p><p>Let us turn to two-flavor QCD. In this case the full flavor symmetry is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, with the axial U(1) group broken by the anomaly and the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>SU</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>×</mml:mo><mml:mi>SU</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> subgroup broken spontaneously by the chiral condensate. In the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> domain of QCD, the partition function of the resulting Nambu-Goldstone modes, which interact according to a chiral Lagrangian, simplifies to <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref> <disp-formula id="d9"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SU</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>Re</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Tr</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(9)</label></disp-formula>which actually holds for any <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The measure <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the normalized Haar measure. In the thermodynamic limit, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> field aligns itself with the chiral condensate. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the simplest case is when the two masses are equal to a common mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> the saddle-point solution is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="double-struck">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> it is given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="double-struck">1</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. To leading order in the thermodynamic limit this results in <disp-formula id="d10"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>log</mml:mi><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(10)</label></disp-formula>Because of the absolute value, the chiral condensate as defined in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5">(5)</xref> acquires a discontinuity at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="d11"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(11)</label></disp-formula></p><p>Another simple case is that of unequal quark masses and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, where we have in leading order <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref> <disp-formula id="d12"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>log</mml:mi><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(12)</label></disp-formula>The phase diagram of this case is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f1">1</xref>. The two phases are separated by the line <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> on which the pion mass becomes zero, known as the Dashen phenomenon <xref ref-type="bibr" rid="c19">[19]</xref>. For three flavors, this line changes to a finite region where pions condense and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> symmetry is spontaneously broken <xref ref-type="bibr" rid="c20">[20]</xref>. It can also become a finite region when pion condensation occurs in the case of Wilson fermions <xref ref-type="bibr" rid="c21">[21]</xref>.</p><fig id="f1"><object-id>1</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515.f1</object-id><label>FIG. 1.</label><caption><p>Phase diagram of the two-flavor theory at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> in the plane of the two quark masses.</p></caption><graphic xlink:href="e074515_1.eps"/></fig><p>The phase diagram at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> has to be contrasted to the one at fixed topological charge <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where we have in leading order <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref> <disp-formula id="d13"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>log</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(13)</label></disp-formula>The sign of the chiral condensate at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> always changes sign when one of the masses changes its sign, unlike at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, where the sign change occurs at the Dashen line <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. One aim of the present work is to understand this difference. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f2">2</xref> we highlight the different behavior of the two-flavor chiral condensate at fixed topological charge <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> (left) and fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle (right).</p><fig id="f2"><object-id>2</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515.f2</object-id><label>FIG. 2.</label><caption><p>Mass dependence of the chiral condensate for two-flavor QCD at fixed topological charge <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> (left) and at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> (right). In the thermodynamic limit all curves become discontinuous. Note that we use the dimensionless masses <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The notation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> indicates that we differentiate with respect to the first quark mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e074515_2.eps"/></fig><p>Finally, let us mention one particular limit of the two-flavor case. When one of the quark masses becomes large, the two-flavor theory reduces to the one-flavor theory. In the chiral Lagrangian we then have <disp-formula id="d14"><mml:math display="block"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(14)</label></disp-formula>with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> fixed at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, resulting in the one-flavor partition function <xref ref-type="disp-formula" rid="d6">(6)</xref>.</p></sec><sec id="s3"><label>III.</label><title>SIGN PROBLEM</title><p>Generically, QCD at nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle has a sign problem, which originates from the weight factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4">(4)</xref>. The sign problem is absent only for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and it is most severe for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, in which case the weight factor is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula>. For real (but possibly negative) quark masses, these two conditions translate into <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mi>sign</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>det</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>While these two extreme cases are already apparent from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4">(4)</xref>, the severity of the sign problem in the general case can be measured by the ratio of the partition function with a phase and the phase-quenched partition function. Explicit analytical results for this ratio can be obtained in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> domain.</p><p>For one flavor the ratio is given by <disp-formula id="d15"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(15)</label></disp-formula>Therefore exponential cancellations take place at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In agreement with the general argument above, it assumes its maximum at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, where the sign problem is most severe, while the sign problem is absent for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The free energy is a smooth function of the quark mass and the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle, which reflects the fact that the one-flavor theory has no phase transition.</p><fig id="f3"><object-id>3</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515.f3</object-id><label>FIG. 3.</label><caption><p>Difference of the free energies of the phase-quenched and the full theory for one-flavor QCD [see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d15">(15)</xref>] divided by the absolute value of the rescaled quark mass. Here <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e074515_3.eps"/></fig><p>For two flavors the ratio is given by <disp-formula id="d16"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(16)</label></disp-formula>The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>-domain result for the two-flavor partition function is given by the integral over SU(2) in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d9">(9)</xref>. In terms of the microscopic variables <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> it becomes <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref> <disp-formula id="d17"><mml:math display="block"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo minsize="1ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:math><label>(17)</label></disp-formula>with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> the modified Bessel function of the first kind. Again the difference <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:math></inline-formula> assumes its maximum at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>; see the plots in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>. Therefore the sign problem is most severe either at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> when both masses have opposite signs or at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula> when both masses have the same sign. This can also be seen in the exponentially increasing oscillations of the level density when increasing the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle; see Fig. <xref ref-type="fig" rid="f9">9</xref> below. The sign problem is absent only for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><fig id="f4"><object-id>4</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515.f4</object-id><label>FIG. 4.</label><caption><p>Free-energy difference as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> for two flavors and several quark masses. The functions are normalized by the sum of the quark masses so that the large-mass limit remains finite. The black curve in the plot on the right is the thermodynamic limit for equal quark masses; see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d20">(20)</xref>.</p></caption><graphic xlink:href="e074515_4.eps"/></fig><p>We illustrate the free-energy difference in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>. The partition function <xref ref-type="disp-formula" rid="d17">(17)</xref> is monotonically decreasing (increasing) in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> for quark masses of equal (opposite) signs. This carries over to an increase (decrease) of the free energy. The free-energy difference is also strictly increasing (decreasing) with respect to the moduli of the masses for equal (opposite) signs. For equal masses it simplifies to <disp-formula id="d18"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>log</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(18)</label></disp-formula>where the monotonicity can be checked easily.</p><p>The free-energy difference has the thermodynamic limit <disp-formula id="d19"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(19)</label></disp-formula>where only the Bessel functions had to be approximated. (There are subleading logarithmic corrections to this result.) For equal masses the thermodynamic limit becomes <disp-formula id="d20"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(20)</label></disp-formula>which has a kink at the Dashen point <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p></sec><sec id="s4"><label>IV.</label><title>DECOMPOSITION OF THE SPECTRAL DENSITY AND THE CHIRAL CONDENSATE</title><p>In the limit of zero quark masses, the chiral condensate at fixed topological charge has a discontinuity on the support of the Dirac spectrum, which is dense in the thermodynamic limit. We have to understand how this discontinuity can be moved away from the support of the spectrum at nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle. When the spectral density is positive, this is certainly not possible. However, the averaging procedure to obtain the spectral density includes the fermion determinant. This determinant is not positive definite at nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle, and thus the spectral density is generically not positive definite. Moreover, the spectral density is normalized with respect to the partition function at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which is exponentially smaller than the phase-quenched partition function, and therefore may result in a spectral density that increases exponentially with the volume. Indeed, we know from QCD at nonzero chemical potential <xref ref-type="bibr" rid="c17">[17]</xref> and from QCD-like theories with indefinite measure <xref ref-type="bibr" rid="c18">[18]</xref> that the discontinuity of the chiral condensate can be shifted when the spectral density oscillates with an amplitude that is exponentially large in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> and with a period that scales as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>. As a first step toward understanding this behavior, we decompose the spectral density and the chiral condensate into various contributions.</p><p>We denote the spectral density of the Dirac operator at fixed topological charge <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The spectral density at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined by <disp-formula id="d21"><mml:math display="block"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(21)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the statistical weight to find a gauge-field configuration with topological charge <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="d22"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(22)</label></disp-formula>To obtain a more detailed picture we split the spectral density into a zero-mode part and a nonzero-mode part, <disp-formula id="d23"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(23)</label></disp-formula>This splitting is valid both at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> and at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d21">(21)</xref> holds separately for the zero-mode and nonzero-mode parts.</p><p>The zero-mode part of the density at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <disp-formula id="d24"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(24)</label></disp-formula>We will see in the next section that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> gives a contribution to the chiral condensate that diverges exponentially if a sign problem is present. This contribution must be canceled by a similar contribution of the nonzero-mode part <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> to obtain a finite condensate. The question is what part of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> is responsible for this cancellation. Obviously there is no unique answer to this question, but we know that this cancellation also has to take place in the quenched approximation. Therefore we decompose <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> into a quenched part (obtained by setting <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>) and a dynamical part (the remainder), <disp-formula id="d25"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(25)</label></disp-formula>The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula>-domain result for the quenched part in terms of the microscopic variable <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> reads <xref ref-type="bibr" rid="c22">[22]</xref> <disp-formula id="d26"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math><label>(26)</label></disp-formula>with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> the Bessel function of the first kind. The dynamical part depends, in addition to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, also on the quark masses, which on the microscopic scale we collect in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Explicit expressions can be found in <xref ref-type="bibr" rid="c23 c24">[23,24]</xref>.</p><p>An alternative to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d25">(25)</xref> would be to split <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> into a phase-quenched part <xref ref-type="bibr" rid="c12">[12]</xref>, obtained by letting <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and an oscillating remainder. The cancellation is then achieved by the phase-quenched part, but this part is more complicated than the quenched part, and therefore we do not consider it in this paper.</p><p>The chiral condensate is obtained from the spectral density by the relation <disp-formula id="d27"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>V</mml:mi></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(27)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a valence quark mass. It is convenient to distinguish <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> from the sea quark masses in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, but at the end of the calculation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> will usually be set equal to one of the sea quark masses. Again, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d27">(27)</xref> holds both at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> and at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. On the macroscopic scale Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d27">(27)</xref> requires regularization, but in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> domain it is valid as it stands.</p><p>We now split the condensate into zero-mode, quenched, and dynamical parts, obtained by replacing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d27">(27)</xref> by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula>, respectively. This leads to <disp-formula id="d28"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><label>(28)</label></disp-formula>at either fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> or fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. As in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d21">(21)</xref> we have <disp-formula id="d29"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(29)</label></disp-formula>and this holds separately for all three contributions.</p><p>All equations in this section can be translated to the microscopic scale by the replacements <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d27">(27)</xref>, the prefactor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> is then replaced by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For the valence mass on the microscopic scale we will use the notation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p></sec><sec id="s5"><label>V.</label><title>CANCELLATION OF ZERO-MODE AND QUENCHED CONTRIBUTIONS</title><p>In this section we show, for any number of flavors, that the exponentially increasing contribution of the zero modes to the chiral condensate is canceled by an exponentially increasing contribution from the quenched part of the spectrum. The expressions for the contribution of the zero modes are valid without any assumptions, but the other calculations are performed in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> domain of QCD.</p><p>Using Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d21">(21)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d24">(24)</xref>, the zero-mode part of the microscopic spectral density at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by <disp-formula id="d30"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(30)</label></disp-formula>Using the Fourier transform of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4">(4)</xref>, <disp-formula id="d31"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(31)</label></disp-formula>the sum on the right-hand side (RHS) can be rewritten in the form <disp-formula id="d32"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(32)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the Fourier transform <disp-formula id="d33"><mml:math display="block"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math><label>(33)</label></disp-formula>and the symbol <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> stands for a principal-value integral. Several comments are in order. (i) The definition <xref ref-type="disp-formula" rid="d33">(33)</xref> is to be understood as a distribution acting on test functions that are twice differentiable and vanish at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, where the sum over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> is divergent. We always assume <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> because of the integral <xref ref-type="disp-formula" rid="d32">(32)</xref>. (ii) Since the integral over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> vanishes, we could subtract <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="d32">(32)</xref> to end up with a test function that indeed vanishes at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. (iii) In the following we always deal with test functions that are twice differentiable and vanish at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. This justifies the introduction of a regulator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> which results in a sum that is pointwise convergent except for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="d34"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d34a1">=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d34a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d34a1">=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d34a1">=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d34a1">=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d34a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mtext>valid for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(34)</label></disp-formula>Note that due to the pointwise convergence, the integral of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the form <xref ref-type="disp-formula" rid="d34">(34)</xref> no longer vanishes so that the subtractions have to be made before the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> is taken. For a function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> that is twice differentiable at zero we therefore have <disp-formula id="d35"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(35)</label></disp-formula>Finally, we note that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cot</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a total derivative which can be integrated by parts on test functions that vanish at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p><p>The zero-mode part of the spectral density thus becomes <disp-formula id="d36"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(36)</label></disp-formula>The zero-mode contribution to the chiral condensate follows trivially from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d27">(27)</xref>: <disp-formula id="d37"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(37)</label></disp-formula>In the derivation of this formula we did not make any assumptions on the scaling behavior of the quark masses, and we stress that this result is valid in general.</p><p>From the discussion of the sign problem in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3">III</xref> we know that the ratio <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> takes its maximum at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>sign</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>det</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Hence, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>det</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the integral <xref ref-type="disp-formula" rid="d37">(37)</xref> is dominated by the region around <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>det</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> it is dominated by the region around <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>sign</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>det</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the partition function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is exponentially smaller (in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>) than <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, resulting in a contribution to the chiral condensate that increases exponentially with the volume.</p><p>The quenched part of the spectral density at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <disp-formula id="d38"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d38a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d38a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo accent="true" stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math><label>(38)</label></disp-formula>with <disp-formula id="d39"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo accent="true" stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(39)</label></disp-formula>The last equality in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d39">(39)</xref> was obtained from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d26">(26)</xref> using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="da7">(A7)</xref>. To avoid confusion, we note that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo accent="true" stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the spectral density of the true quenched theory at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. It is convoluted with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> as shown in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d38">(38)</xref> to obtain what we have defined as the quenched part of the spectral density. The convolution introduces the quark masses into <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, while <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo accent="true" stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is independent of the quark masses.</p><p>Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d38">(38)</xref> results in the “quenched” contribution to the chiral condensate <disp-formula id="d40"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d40a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d40a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(40)</label></disp-formula>In the last line we have used Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="dc8">(C8)</xref> to obtain the modified Bessel function of the second kind <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Note that the poles at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> cancel so that the integral can be evaluated as an ordinary integral. Also for the quenched contribution, the integral is dominated by the region around <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula> (depending on the sign of the product of the quark masses) where the effective <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle vanishes. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>arg</mml:mi><mml:mi>det</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, this again leads to contributions that increase exponentially. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> the ratio of partition functions in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d40">(40)</xref> is equal to unity. The integral over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the expression in square brackets is equal to the “quenched” part of the condensate at topological charge zero, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, which follows by writing the RHS of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d39">(39)</xref> as a Fourier sum.</p><p>We now show that the two exponentially increasing contributions to the chiral condensate cancel. The sum of zero-mode and quenched contributions is given by <disp-formula id="d41"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d41a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d41a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(41)</label></disp-formula>This integral converges as a principal-value integral.</p><p>The partition function is given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d9">(9)</xref>. We write <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi>SU</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> in the form <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>diag</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and perform a change of variables from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>U</mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The Jacobian of this transformation is independent of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>. If we assume degenerate quark masses, the integrand is also independent of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> so that the integration over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> simply gives an irrelevant constant. For nondegenerate quark masses the integral over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> is of the Harish-Chandra–Itzykson-Zuber type <xref ref-type="bibr" rid="c25">[25]</xref> and leads to <disp-formula id="d42"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d42a1">∼</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d42a1">×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>det</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>ℓ</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(42)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> denotes the Vandermonde determinant. Unless indicated otherwise, a product or a sum over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> is understood to run from 1 to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The symbol <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:math></inline-formula> indicates that we have suppressed the normalization constant.</p><p>The integrand in <xref ref-type="disp-formula" rid="d42">(42)</xref> is symmetric under permutations of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We denote the nonexponential terms by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and expand the determinant of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>ℓ</mml:mo></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> to obtain <disp-formula id="d43"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d43a1">∼</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d43a1">×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(43)</label></disp-formula>After shifting each <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and performing the integration over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> using the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>δ</mml:mi></mml:math></inline-formula> function, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d43">(43)</xref> becomes <disp-formula id="d44"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d44a1">∼</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d44a1">×</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(44)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. We will use this representation for the partition function in the denominator of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d41">(41)</xref>.</p><p>Next, we consider the integral in the last line of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d41">(41)</xref>. For large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, the Bessel function behaves as <disp-formula id="d45"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(45)</label></disp-formula>Therefore the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> term in the last line of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d41">(41)</xref> cannot result in exponentially large contributions, but this term regularizes the integral at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p><p>We now combine Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d43">(43)</xref> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> replaced by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d45">(45)</xref> and consider the contribution to the chiral condensate that gives the exponentially large terms. After shifting each <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we obtain <disp-formula id="d46"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d46a1">×</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d46a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d46a1">×</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="true">|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo stretchy="true">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(46)</label></disp-formula>We now set the valence mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> equal to one of the sea quark masses, say <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Using the trigonometric identity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>, the exponent of the last line in <xref ref-type="disp-formula" rid="d46">(46)</xref> can be written as <disp-formula id="d47"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d47a1">+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d47a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>≤</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(47)</label></disp-formula>where in the last line we used the fact that the absolute value of the second term is always smaller than the absolute value of the first term. The RHS of this estimate is exactly the exponent of the integrand for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>; cf. <xref ref-type="disp-formula" rid="d44">(44)</xref>.</p><p>We have thus found that in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d41">(41)</xref> the exponent of the numerator is always smaller than or equal to the exponent of the denominator. Therefore the sum of the zero-mode and quenched contributions to the chiral condensate does not increase exponentially for large rescaled masses <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The preexponential terms may have (even strong) effects on the integral. They can be zero, can diverge at the saddle points, or can prevent us from reaching some of the saddle points. However, none of these effects can lead to an exponential increase because the integral in <xref ref-type="disp-formula" rid="d41">(41)</xref> is well defined and finite at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>.</p><p>The exponential cancellation is illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f5">5</xref> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f6">6</xref> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, where both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> increase exponentially in the quadrants where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The sum of the two contributions remains finite. Also shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f6">6</xref> is the dynamical part of the chiral condensate; see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d82">(82)</xref>.</p><fig id="f5"><object-id>5</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515.f5</object-id><label>FIG. 5.</label><caption><p>Zero-mode (red curve) and quenched (blue curve) contribution to the chiral condensate for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> as a function of the rescaled quark mass. Each contribution increases exponentially, but their sum (black curve) remains finite.</p></caption><graphic xlink:href="e074515_5.eps"/></fig><fig id="f6"><object-id>6</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515.f6</object-id><label>FIG. 6.</label><caption><p>Top to bottom: zero-mode (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>) and quenched (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>) contributions to the chiral condensate, their sum (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), and dynamical contribution (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>) for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> as a function of the rescaled quark masses <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The sum of all contributions, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>tot</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> (bottom), shows a discontinuity at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The subscript 1 of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> indicates that the condensate corresponds to the first quark.</p></caption><graphic xlink:href="e074515_6.eps"/></fig><p>Finally, we give a heuristic argument why the cancellation between the zero-mode contribution and the quenched contribution to the chiral condensate takes place. When we have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> zero modes, the nonzero eigenvalues on the microscopic scale are, on average, shifted from the origin by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>; see Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c26">[26]</xref> [Sec. <xref ref-type="sec" rid="s8">VIII A</xref>]. To find a definitive gap one needs to assume <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mi>QCD</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Explicitly, one can easily show that the asymptotic behavior of the microscopic quenched density is given by <disp-formula id="d48"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(48)</label></disp-formula>The corresponding chiral condensate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be calculated along Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d27">(27)</xref>, i.e., <disp-formula id="d49"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:malignmark/><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d49a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo minsize="7ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo minsize="7ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(49)</label></disp-formula>For large masses at large, fixed topological index, the quenched chiral condensate has the approximate form <disp-formula id="d50"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(50)</label></disp-formula>The second term shows that the nonzero-mode spectrum has been depleted by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> modes so that the total number of eigenvalues does not depend on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The contribution of the zero modes is given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>.</p><p>At fixed (large) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> we thus find that for large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> contribution to the quenched part of the chiral condensate exactly cancels the contribution from the zero modes. At fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> the contribution of the fermion determinant leads to exponentially large terms (instead of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> terms) at large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, but as shown in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s5">V</xref> we again have a cancellation between the zero-mode and quenched parts. This cancellation is deeply rooted in topology and spectral flow, which guarantee that the total number of eigenvalues around zero remains the same. For chiral random matrix theory, this can be shown at the technical level <xref ref-type="bibr" rid="c26">[26]</xref>, but the argument is much more general: the Dirac spectrum near zero is depleted by exactly the same number of levels as we have zero modes. One could argue that the spectral density at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle mainly involves very large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> so that in the thermodynamic limit the spectrum acquires a gap at zero. However, since the topological susceptibility is finite in the thermodynamic limit, the number of zero modes is of order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msqrt><mml:mi>V</mml:mi></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>, while the eigenvalue density is of order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>, resulting in a gap with a width of order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>V</mml:mi></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>.</p></sec><sec id="s6"><label>VI.</label><title>ONE-FLAVOR QCD</title><p>In this section we derive a number of explicit results for one-flavor QCD. In the first subsection we compute the contributions to the spectral density at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle. In the second subsection we use these results to compute the dynamical contribution to the chiral condensate and show that a mass-independent total chiral condensate is obtained.</p><sec id="s6a"><label>A.</label><title>One-flavor Dirac spectrum at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle</title><p>The one-flavor partition function of QCD in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> domain at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by <disp-formula id="d51"><mml:math display="block"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo></mml:math><label>(51)</label></disp-formula>see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6">(6)</xref>. At fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> we therefore have from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d31">(31)</xref> <disp-formula id="d52"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(52)</label></disp-formula>The spectral density at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by <disp-formula id="d53"><mml:math display="block"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:munder><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(53)</label></disp-formula>In the previous section we already obtained the zero-mode part and the quenched part of the spectral density; see Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d36">(36)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d38">(38)</xref>, respectively. Explicitly, the zero-mode part reads <disp-formula id="d54"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d54a1">=</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d54a1">=</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>cot</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(54)</label></disp-formula>where the second line follows after partial integration. The quenched part is equal to <disp-formula id="d55"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(55)</label></disp-formula>The dynamical part at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by <xref ref-type="bibr" rid="c23 c24">[23,24]</xref> <disp-formula id="d56"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(56)</label></disp-formula>After performing the sums over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d21">(21)</xref> with the help of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="da12">(A12)</xref> we obtain for the dynamical part at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <disp-formula id="d57"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo id="d57a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d57a1">×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(57)</label></disp-formula>Note that the imaginary part resulting from <xref ref-type="disp-formula" rid="da12">(A12)</xref> is the integral of a total derivative and therefore vanishes. Moreover, the result has to be real since the expression <xref ref-type="disp-formula" rid="d56">(56)</xref> is invariant under <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which can be shown using the recursion relations <xref ref-type="disp-formula" rid="dc1">(C1)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="dc2">(C2)</xref> of Bessel functions.</p><p>Adding the dynamical part to the quenched part and performing some simplifications, the nonzero-mode part of the density at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by <disp-formula id="d58"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d58a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d58a1">×</mml:mo><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(58)</label></disp-formula>which for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> was already obtained in <xref ref-type="bibr" rid="c11 c12">[11,12]</xref>.</p><p>In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f7">7</xref> we show the spectral density of the nonzero modes at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> for rescaled quark masses <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. At nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> the amplitude of the oscillations increases exponentially with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The only exception is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where the spectral density is well behaved for a large negative mass but increases exponentially with a positive mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>; see the discussion prior to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5">(5)</xref>.</p><fig id="f7"><object-id>7</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515.f7</object-id><label>FIG. 7.</label><caption><p>Microscopic spectral density <xref ref-type="disp-formula" rid="d58">(58)</xref> of the one-flavor theory as a function of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle for the two rescaled masses <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The oscillations become stronger with increasing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> and eventually yield an exponentially large spectral density. The reason for this divergence is the nonpositive statistical weight due to the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle.</p></caption><graphic xlink:href="e074515_7.eps"/></fig><p>For large mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>, a saddle-point analysis of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d58">(58)</xref> shows that the spectral density behaves as <disp-formula id="d59"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math><label>(59)</label></disp-formula>with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. When the exponent vanishes, i.e., for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> with positive mass or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula> with negative mass, the asymptotic expansion is still valid, resulting in <disp-formula id="d60"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(60)</label></disp-formula></p></sec><sec id="s6b"><label>B.</label><title>Chiral condensate</title><p>In this subsection we use Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d27">(27)</xref> to compute the chiral condensate for one flavor and show that it is mass independent. Here and in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6c">VI C</xref>, the valence quark mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is set equal to the sea quark mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>The sum of the zero-mode and quenched contributions was already computed in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d41">(41)</xref>. It is given by <disp-formula id="d61"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d61a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(61)</label></disp-formula>The contribution from the dynamical part of the density follows from Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d27">(27)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d57">(57)</xref> using Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(C10)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d12">(C12)</xref>, <disp-formula id="d62"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d62a1">+</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(62)</label></disp-formula>Since the leading asymptotic behavior of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> Bessel functions [see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d45">(45)</xref>] does not depend on the index, we can use the arguments of Sec. <xref ref-type="sec" rid="s5">V</xref> to show that there are no exponentially increasing contributions from the dynamical part. It is noteworthy that this argument holds for an arbitrary number of flavors <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Adding the last two equations we obtain the total chiral condensate <disp-formula id="d63"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo id="d63a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="true">{</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d63a1">×</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d63a1">+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo><mml:mo stretchy="true">}</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(63)</label></disp-formula>where we used <xref ref-type="disp-formula" rid="dc4">(C4)</xref>. Using the recursion relations <xref ref-type="disp-formula" rid="dc4">(C4)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="dc5">(C5)</xref>, the Bessel function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be rewritten as <disp-formula id="d64"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo id="d64a1" indentshift="1em">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo/><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="2em" indenttarget="d64a1">⁢</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(64)</label></disp-formula>Then the derivative can be integrated by parts, where the boundary terms of the principal-value integral vanish. Hence we have <disp-formula id="d65"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo id="d65a1">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d65a1">-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(65)</label></disp-formula>To show that the principal-value integral is indeed equal to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> [cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d7">(7)</xref>], we first note that for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> we indeed obtain <disp-formula id="d66"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(66)</label></disp-formula>where we used the asymptotics <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In the second step we take the mass derivative of the chiral condensate, which is an integral of a total derivative and thus vanishes, <disp-formula id="d67"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo id="d67a1">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d67a1">×</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d67a1">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(67)</label></disp-formula>Therefore we conclude that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> does not depend on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> so that <disp-formula id="d68"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(68)</label></disp-formula></p><p>The derivation above also shows that the nonzero-mode contribution to the chiral condensate can be simplified to <disp-formula id="d69"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo id="d69a1">=</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>⨍</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>cot</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(69)</label></disp-formula>which follows from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d54">(54)</xref>.</p><p>The zero-mode and nonzero-mode contributions to the chiral condensate are plotted as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f8">8</xref> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. It becomes obvious that when a nontrivial phase is present, the contributions of both the zero and the nonzero modes grow exponentially with the volume (included in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>), but that they add up to a finite result that gives a mass-independent chiral condensate.</p><fig id="f8"><object-id>8</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515.f8</object-id><label>FIG. 8.</label><caption><p>Chiral condensate for one-flavor QCD and its splitting into the contributions from zero and nonzero modes. Results are given for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> (left) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> (right). While for positive mass and vanishing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle the contributions behave algebraically, they increase exponentially with the volume otherwise, regardless of whether the sign/phase comes from the mass or a nonvanishing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle.</p></caption><graphic xlink:href="e074515_8.eps"/></fig></sec><sec id="s6c"><label>C.</label><title>Thermodynamic limit</title><p>We first consider the case when there is no sign problem, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For this case the thermodynamic limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> can readily be derived for the zero-mode contribution <xref ref-type="bibr" rid="c5">[5]</xref> [Eq. (7.3)], <disp-formula id="d70"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d70a1">=</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:malignmark/><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(70)</label></disp-formula>Therefore the contribution of the zero modes to the chiral condensate behaves like <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. This can be seen in the left plot of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f8">8</xref> for positive masses. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula> we find the same asymptotical spectral density as in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d70">(70)</xref>, but the chiral condensate differs by a minus sign.</p><p>We now turn to the general case with a sign problem. In this case we have to perform a saddle-point analysis for the integral determining the level density and the chiral condensate. This is most easily done in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d54">(54)</xref>. Expanding <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> about the point where the exponent is maximized, namely <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>sign</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we obtain <disp-formula id="d71"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d71a1">=</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:malignmark/><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(71)</label></disp-formula>Here, we notice the main difference between the sign-quenched result <xref ref-type="disp-formula" rid="d70">(70)</xref> and the result with a sign problem. The contribution of the zero modes to the chiral condensate vanishes as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> in the sign-quenched case, while it diverges exponentially regardless of how small the angle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>arg</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is. In particular, the divergence is strongest when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>arg</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which reflects the sign problem observed in the difference of the free energies <xref ref-type="disp-formula" rid="d15">(15)</xref>. Additionally, the sign of the contribution of the zero modes to the chiral condensate changes with the sign of the quark mass. Its behavior for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f8">8</xref>.</p><p>Whether a sign problem is present or not present, the contribution of the nonzero modes to the chiral condensate is equal to the difference <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p><p>We now consider the thermodynamic limit of the dynamical part <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> [see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d62">(62)</xref>], which stays finite for large masses. Its asymptotic behavior is worked out in Appendix <xref ref-type="app" rid="app4">D</xref>, resulting in <disp-formula id="d72"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mrow><mml:mo minsize="9ex" stretchy="true">{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" width="auto"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(72)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> in the last case denotes the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:math></inline-formula> function.</p><p>Finally, to identify the thermodynamic limit of the quenched contribution we can combine the relation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> with the results <xref ref-type="disp-formula" rid="d70">(70)</xref> through <xref ref-type="disp-formula" rid="d72">(72)</xref>.</p></sec></sec><sec id="s7"><label>VII.</label><title>TWO-FLAVOR QCD</title><p>In the first subsection we compute the two-flavor spectral density at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle, which is used in the second subsection to compute the various contributions to the chiral condensate.</p><sec id="s7a"><label>A.</label><title>Two-flavor Dirac spectrum at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle</title><p>The spectral density at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle is again given by Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d21">(21)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d22">(22)</xref>. The two-flavor partition function at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle has already been given in <xref ref-type="disp-formula" rid="d17">(17)</xref>. At fixed topological charge <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> it can be written as <xref ref-type="bibr" rid="c27">[27]</xref> <disp-formula id="d73"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(73)</label></disp-formula>The zero-mode contribution to the spectral density is determined by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d36">(36)</xref> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> as in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d17">(17)</xref>.</p><p>Next we evaluate the nonzero-mode contribution to the spectral density. At fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> the spectral density is given by <xref ref-type="bibr" rid="c23 c24">[23,24]</xref> <disp-formula id="d74"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d74a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo minsize="13ex" stretchy="true">|</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo minsize="13ex" stretchy="true">|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(74)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>·</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> denotes the determinant of the matrix. The determinant in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d74">(74)</xref> can be rewritten as <disp-formula id="d75"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo minsize="13ex" stretchy="true">|</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo minsize="13ex" stretchy="true">|</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(75)</label></disp-formula>by employing the recurrence relations <xref ref-type="disp-formula" rid="dc1">(C1)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="dc2">(C2)</xref> and the properties of the determinant. In this form the terms involving the upper left <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> block yield the quenched level density <xref ref-type="disp-formula" rid="d26">(26)</xref>. The remaining terms represent the dynamical part and can be simplified to <disp-formula id="d76"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo id="d76a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d76a1">×</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d76a1">+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(76)</label></disp-formula>by employing the symmetry <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Note that the dynamical part <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is again symmetric in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> because <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are, so that the sum including the phases <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> yields a real function.</p><p>Now we sum over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="d21">(21)</xref>. The quenched contribution <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> was already obtained in <xref ref-type="disp-formula" rid="d38">(38)</xref> with the two-flavor partition function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>; see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d17">(17)</xref>. The sum for the dynamical part is more involved, and the required sums over products of four Bessel functions are worked out in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="da13">(A13)</xref>. Adding the quenched contribution, this results in the total spectral density of the nonzero modes, <disp-formula id="d77"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo id="d77a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d77a1">+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d77a1">-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(77)</label></disp-formula>with <disp-formula id="d78"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(78)</label></disp-formula>We recognize the first term as the contribution of the quenched part of the spectral density discussed in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s5">V</xref>. The imaginary part of the integral vanishes, which follows from the fact that the imaginary part resulting from applying Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="da13">(A13)</xref> yields a total derivative.</p><p>The level density of the nonzero modes, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula>, looks quite complicated. It becomes more presentable when both masses are equal and the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle vanishes, <disp-formula id="d79"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d79a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d79a1">×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(79)</label></disp-formula>The behavior of the level density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f9">9</xref> for various masses. As in the one-flavor case, the amplitude of the level density at nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle increases exponentially with the volume, and its oscillations have a period of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. At nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle, oscillations of this type can shift the original discontinuity of the chiral condensate at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> for fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><fig id="f9"><object-id>9</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515.f9</object-id><label>FIG. 9.</label><caption><p>Microscopic level density for two flavors as a function of the eigenvalue position <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle for various quark masses <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. When increasing the quark masses the oscillations become so strong that the level density loses its positivity.</p></caption><graphic xlink:href="e074515_9.eps"/></fig><p>For large mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> we regain the level density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. To obtain this limit we have to approximate the modified Bessel functions by <disp-formula id="d80"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(80)</label></disp-formula>In contrast, when taking the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, only the sector of zero topological charge contributes to the partition function, resulting in the spectral density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Because of flavor-topology duality <xref ref-type="bibr" rid="c28">[28]</xref> for massless quarks in the microscopic limit (which is most easily understood in terms of the joint eigenvalue distribution of the chiral random matrix theory), this can be written as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>nzm</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p></sec><sec id="s7b"><label>B.</label><title>Chiral condensate</title><p>In this subsection we evaluate the chiral condensate from the spectral density using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d27">(27)</xref>. We only consider the chiral condensate of the first quark (which we denote by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>); i.e., we set <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The chiral condensate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> of the second quark can then be obtained by interchanging <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p><p>The zero-mode and quenched contributions to the chiral condensate are obtained by substituting the two-flavor result <xref ref-type="disp-formula" rid="d17">(17)</xref> for the partition function in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d37">(37)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="d40">(40)</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="d41">(41)</xref>. We do not repeat the corresponding expressions here. As in the one-flavor case, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> grows exponentially in the quark masses for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> or for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. This can be seen nicely in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f10">10</xref>. When the sign problem is absent, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> remains bounded. For vanishing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle we can use <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mfrac><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi></mml:msub><mml:mi>cot</mml:mi><mml:mfrac><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> and integrate Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d37">(37)</xref> by parts such that the integral loses its singularity and becomes an ordinary integral, <disp-formula id="d81"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo id="d81a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mfrac><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d81a1">×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(81)</label></disp-formula>We employed Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="dc3">(C3)</xref> to obtain this result. A similar result can be derived for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>. When the masses are equal, the integral can be expressed in terms of a hypergeometric function.</p><fig id="f10"><object-id>10</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515.f10</object-id><label>FIG. 10.</label><caption><p>Zero-mode contribution to the chiral condensate for two flavors as a function of the two quark masses <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. For vanishing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle we notice two quadrants where this contribution does not grow exponentially in the masses. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> we have only two lines, given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, where this contribution remains finite in the limit of large masses.</p></caption><graphic xlink:href="e074515_10.eps"/></fig><p>The calculation of the dynamical contribution to the chiral condensate is performed in Appendix <xref ref-type="app" rid="app2">B</xref> and yields <disp-formula id="d82"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo id="d82a1">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="true">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d82a1">+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d82a1">+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="true">}</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(82)</label></disp-formula></p><p>The limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> yields the one-flavor result <xref ref-type="disp-formula" rid="d62">(62)</xref>, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. This can readily be checked because only two terms of the integral are of leading order and the Bessel function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be approximated as in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d80">(80)</xref>. In the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> (at fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>) one can show that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is proportional to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p><p>We emphasize that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> remains finite for large masses. The reason is the same as discussed in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s5">V</xref>, namely that the exponents of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and of the partition function cancel. Of course this should happen because the total chiral condensate, which can be obtained from the mass derivative <xref ref-type="disp-formula" rid="d5">(5)</xref> of the two-flavor partition function, <disp-formula id="d83"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo id="d83a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>log</mml:mi><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(83)</label></disp-formula>is finite. Although the expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> is quite complicated when derived via Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d41">(41)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d82">(82)</xref>, we checked numerically that it agrees with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d83">(83)</xref>. (We did not succeed to give a direct analytical proof.) The behavior of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> is illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f11">11</xref> for several masses at the two angles <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. It changes sign at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which becomes the Dashen point <xref ref-type="bibr" rid="c19 c29">[19,29]</xref> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when taking the thermodynamic limit.</p><fig id="f11"><object-id>11</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515.f11</object-id><label>FIG. 11.</label><caption><p>Chiral condensate of the first quark in the two-flavor theory [see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d83">(83)</xref>] as a function of the first quark mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> rescaled with respect to the fixed second quark mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The black curve is the thermodynamic limit. The jump in the left plot (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>) is the Dashen point <xref ref-type="bibr" rid="c19 c29">[19,29]</xref>, which corresponds to a first-order phase transition.</p></caption><graphic xlink:href="e074515_11.eps"/></fig><p>In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f12">12</xref> we show the decomposition of the chiral condensate for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> with one mass kept fixed at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The sum of the quenched part and the zero-mode part, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula>, results in a chiral condensate with a discontinuity in the thermodynamic limit at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Both parts become exponentially large in the volume when the product of the quark masses is negative, but their sum is finite. The dynamical part of the spectral density results in a chiral condensate with a discontinuity at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> that cancels the discontinuity of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>zm</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> and creates a new discontinuity at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p><fig id="f12"><object-id>12</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515.f12</object-id><label>FIG. 12.</label><caption><p>Mass dependence of the various contributions to the chiral condensate for two-flavor QCD at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The chiral condensate of the first quark is shown as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, while the second mass is kept fixed at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e074515_12.eps"/></fig></sec><sec id="s7c"><label>C.</label><title>Thermodynamic limit</title><p>Before we turn to the general setting, we first consider the cases <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, in which there is no sign problem. In the thermodynamic limit, the chiral condensate becomes <disp-formula id="d84"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(84)</label></disp-formula>because the leading asymptotic behavior of the Bessel functions does not depend on the index. Hence, its behavior is not different from the one-flavor case. The difference between the one- and two-flavor theory shows up in the zero-mode contribution, which is <disp-formula id="d85"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(85)</label></disp-formula>To obtain this result for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> we have performed a saddle-point expansion of the integrand <xref ref-type="disp-formula" rid="d81">(81)</xref> about the point <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Hence, we again have an algebraic dependence on the quark masses, which has a similar behavior as in the one-flavor case when both masses are equal, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; cf. Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d70">(70)</xref>.</p><p>The situation changes drastically when there is a sign problem, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. In this case the zero-mode contribution again exhibits exponential behavior, <disp-formula id="d86"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>zm</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d86a1">≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d86a1">×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(86)</label></disp-formula>To obtain this result we performed a saddle-point approximation of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d37">(37)</xref> about the point <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Note that the derivation of <xref ref-type="disp-formula" rid="d86">(86)</xref> is only valid for both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> and cannot be used in the chiral limit of any of the quark masses. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the exponential divergence in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d86">(86)</xref> is given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>min</mml:mi><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, which changes drastically at the point <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>The total chiral condensate still behaves algebraically in the masses, <disp-formula id="d87"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mover><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d87a1">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>with</mml:mtext><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d87a1">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" width="auto"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(87)</label></disp-formula>Apart from the factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, the thermodynamic limit of the chiral condensate is a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> only and is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f13">13</xref> for several values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. It changes sign at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> this transition is smooth, but for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula> (corresponding to the Dashen point <xref ref-type="bibr" rid="c19 c29">[19,29]</xref>) it is discontinuous.</p><fig id="f13"><object-id>13</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.99.074515.f13</object-id><label>FIG. 13.</label><caption><p>Thermodynamic limit of the chiral condensate <xref ref-type="disp-formula" rid="d87">(87)</xref> as a function of the first quark mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> for several <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angles and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The chiral condensate depends only on the ratio <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> in this particular limit. The Dashen point exists only for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and shows up as a jump in the chiral condensate, reflecting the nature of a first-order phase transition.</p></caption><graphic xlink:href="e074515_13.eps"/></fig></sec></sec><sec id="s8"><label>VIII.</label><title>CONCLUSIONS</title><p>At nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle, the discontinuity of the chiral condensate in general does not coincide with the support of the Dirac spectrum. In particular, for one-flavor QCD there is no discontinuity at zero quark mass, and for two-flavor QCD with quark masses <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the chiral condensate of the first quark does not have a discontinuity at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> but rather at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We have analyzed this behavior in terms of the contribution from the zero modes, the contribution of the mass independent part of the Dirac spectrum (the “quenched” part), and the contribution of the remainder of the Dirac spectrum which is sensitive to the fermion determinant (at fixed topological charge).</p><p>At fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle, we have obtained a compact general formula for the contribution of the zero modes and of the quenched part of the Dirac spectrum to the chiral condensate. Both formulas are valid for any number of flavors and are given by an integral over a flavor independent kernel times the ratio of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> flavor partition functions. The formula for the zero modes is completely general, while the expression for the quenched part has been obtained in the microscopic domain of QCD but is also valid for any number of flavors. Both contributions diverge exponentially with the volume at nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle, but the divergent contributions cancel identically when added, leaving a result that is finite in the thermodynamic limit. The deeper reason for the cancellation based on general ideas from spectral flow and topology is that when we have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> zero modes, the spectrum near zero is depleted by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> modes, half of them with positive eigenvalues and the other half with negative eigenvalues. This depletion gives a contribution to the chiral condensate with the opposite sign. For large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> it does not matter whether the modes are exactly at zero or are close to zero. The fermion determinant results in an additional eigenvalue repulsion from zero, which does not depend on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the contribution to the chiral condensate due to this modification of the Dirac spectrum is expected to remain finite in the thermodynamical limit.</p><p>For one and two flavors, we have also obtained exact analytical expressions for the dynamical part of the Dirac spectrum and the chiral condensate in the microscopic or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϵ</mml:mi></mml:math></inline-formula> domain of QCD which confirm the above picture.</p><p>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> both the quenched and the dynamical contributions to the spectral density as well as their sum are strongly oscillating with an amplitude that diverges exponentially with the volume and a period on the order of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula>. From QCD at nonzero chemical potential we have learned that this behavior may cancel the discontinuity of the chiral condensate and shift it to a different point. The sum of the quenched part and the zero mode part retain the discontinuity at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, but the oscillations of the dynamical part cancels this discontinuity and move it to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> for two flavors or to infinity for one flavor. The effect of the zero modes is to create a gap at zero but, in the quenched approximation, the position of the remaining eigenvalues does not depend very much on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Since the condensate is obtained in the thermodynamical limit, it is not surprising that the quenched contributions to the chiral condensate have a discontinuity at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. We thus conclude that the determinant introduces correlations in the Dirac spectrum that cancel the discontinuity at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and move it to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Currently we do not have a good understanding of the nature of these correlations, but hope to return to this issue in future work.</p><p>We have also seen that the correct computation of the chiral condensate at nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle requires a subtle balance between zero and nonzero modes. Even the slightest incompatibilities will give results that are completely off. This will make lattice QCD simulations at nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi></mml:math></inline-formula> angle a formidable, and perhaps impossible, task, and we have to rely on analytical work to make further progress.</p></sec></body><back><ack><title>ACKNOWLEDGMENTS</title><p>M. K. acknowledges support by the German Research Foundation (DFG) via CRC 1283: “Taming uncertainty and profiting from randomness and low regularity in analysis, stochastics and their applications.” T. W. was supported by the DFG in the framework of SFB/TRR-55. J. V. was partially supported by U.S. DOE Grant No. DE-FAG-88FR40388.</p></ack><app-group><app id="app1"><label>APPENDIX A:</label><title>RESUMMATION OF PRODUCTS OF BESSEL FUNCTIONS</title><p>To compute the sums of Bessel functions needed in the main text we consider the sum <disp-formula id="da1"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:munderover><mml:mo>∏</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(A1)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the modified Bessel function of the first kind. The indices <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> are chosen to be integers while the masses <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>N</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be arbitrary, even complex valued. Indeed we need imaginary masses <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> to generate the Bessel functions of the first kind via the relation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>Using an integral representation of the Bessel function we can sum over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ν</mml:mi></mml:math></inline-formula> employing the relation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:munderover><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Note that the argument of the Dirac delta function has to be taken modulo <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which we omit. This sum yields <disp-formula id="da2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(A2)</label></disp-formula>The simplest case is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, for which <disp-formula id="da3"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(A3)</label></disp-formula>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> this corresponds to the one-flavor partition function <disp-formula id="da4"><mml:math display="block"><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(A4)</label></disp-formula>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, we define new variables <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ϑ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ϑ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ϑ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This allows us to evaluate the delta function, and we end up with a chain of integrals, <disp-formula id="da5"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="da5a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da5a1">=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da5a1">×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da5a1">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(A5)</label></disp-formula>For general even <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> we set <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi></mml:math></inline-formula> and integrate over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This again produces Bessel functions, <disp-formula id="da6"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da6a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da6a1">×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da6a1">×</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(A6)</label></disp-formula>In the case of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which is needed for the partition function of two flavors and can also be used for the quenched level density, we obtain <disp-formula id="da7"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(A7)</label></disp-formula>Then the two-flavor partition function is <disp-formula id="da8"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A8)</label></disp-formula>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which is needed for the level density with two flavors, the result is a single integral, <disp-formula id="da9"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da9a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da9a1">×</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A9)</label></disp-formula>For general odd <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula> we set <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">N</mml:mi></mml:math></inline-formula> and again integrate over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This leads to a slightly different result, <disp-formula id="da10"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da10a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da10a1">×</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da10a1">×</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∏</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ϑ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(A10)</label></disp-formula>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which is employed for the level density with one flavor, the result is a single integral, <disp-formula id="da11"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(A11)</label></disp-formula>The results above simplify further for the specific sums we are considering. For the contribution of the nonzero modes to the two-flavor level density we need <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula> and 4 with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, i.e., <disp-formula id="da12"><mml:math display="block"><mml:munderover><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da12a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da12a1">=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mfrac><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A12)</label></disp-formula>and <disp-formula id="da13"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da13a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da13a1">=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da13a1">×</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A13)</label></disp-formula></p></app><app id="app2"><label>APPENDIX B:</label><title>CALCULATION OF THE CONDENSATE <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>d</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> FOR TWO FLAVORS</title><p>The dynamical part of the level density is given by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d76">(76)</xref>. We combine this result with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d27">(27)</xref>. Thus we have to evaluate the integral <disp-formula id="db1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="db1a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db1a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="true">{</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="db1a1">+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo><mml:mo stretchy="true">}</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B1)</label></disp-formula>As the first step we perform a partial fraction expansion of the ratios <disp-formula id="db2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db2a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db2a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math><label>(B2)</label></disp-formula>for the first and second terms in the integral, respectively. For the integral over the first term we need the integrals <xref ref-type="disp-formula" rid="d9">(C9)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(C10)</xref> while for the second term we employ <xref ref-type="disp-formula" rid="d11">(C11)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d12">(C12)</xref>. After some algebra we find Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d82">(82)</xref>.</p></app><app id="app3"><label>APPENDIX C:</label><title>INTEGRALS OVER BESSEL FUNCTIONS</title><p>At several places of our work we need recurrence relations and other identities of Bessel functions which can be found in <xref ref-type="bibr" rid="c30 c31">[30,31]</xref>. We will briefly summarize those we need here. The ordinary and modified Bessel functions of the first kind satisfy the recurrence relations <disp-formula id="dc1"><mml:math display="block"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>ν</mml:mi><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(C1)</label></disp-formula><disp-formula id="dc2"><mml:math display="block"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>ν</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(C2)</label></disp-formula><disp-formula id="dc3"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>y</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>y</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(C3)</label></disp-formula>The modified Bessel function of the second kind also satisfies two recursion relations <xref ref-type="bibr" rid="c31">[31]</xref>, <disp-formula id="dc4"><mml:math display="block"><mml:malignmark/><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>ν</mml:mi><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(C4)</label></disp-formula><disp-formula id="dc5"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(C5)</label></disp-formula>Specifically, we have <disp-formula id="dc6"><mml:math display="block"><mml:malignmark/><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(C6)</label></disp-formula><disp-formula id="dc7"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(C7)</label></disp-formula>Moreover we need the integral identities <disp-formula id="dc8"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(C8)</label></disp-formula><disp-formula id="dc9"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(C9)</label></disp-formula><disp-formula id="dc10"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(C10)</label></disp-formula><disp-formula id="dc11"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(C11)</label></disp-formula><disp-formula id="dc12"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(C12)</label></disp-formula>The first, second, and fourth integrals were also given in <xref ref-type="bibr" rid="c11">[11]</xref>, where it was implicitly assumed that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></app><app id="app4"><label>APPENDIX D:</label><title>THERMODYNAMIC LIMIT OF <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> FOR <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula></title><p>In this Appendix we derive Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d72">(72)</xref>. We consider the RHS of <xref ref-type="disp-formula" rid="d62">(62)</xref>, which we denote by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For large argument the Bessel functions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be approximated by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. Therefore, in a saddle-point approximation, the exponent to be analyzed is <disp-formula id="dd1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="dd1a1">=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">|</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(D1)</label></disp-formula>which is always nonpositive and has a maximum of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>max</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. A straightforward analysis shows that for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the maximum is assumed only at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, while for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> it is also assumed at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="double-struck">Z</mml:mi></mml:math></inline-formula> has to be chosen such that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The latter is a true saddle point and dominates the integral. Expansion about <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> yields to leading order in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="dd2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(D2)</label></disp-formula></p><p>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> we have to expand about <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. This is not a true saddle point since the derivative of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is nonzero and discontinuous at this point. Furthermore, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> we cannot use the asymptotic expansion of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Since the term involving <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> comes with an additional factor of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> it is subleading and can be dropped. Hence, to leading order in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="dd3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dd3a1">≈</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dd3a1">≈</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dd3a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>cosh</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dd3a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(D3)</label></disp-formula>where the second line was obtained by transforming <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> and expanding in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The integral in the third line equals <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>θ</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p><p>Finally we consider the case of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. It is straightforward to show that the same result for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> is obtained for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and that the result is odd in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Hence we only consider <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> in the following. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> we have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>; i.e., we again have to expand about <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In this case we find for the exponent to leading order in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <disp-formula id="dd4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" width="auto"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(D4)</label></disp-formula>The dominant contribution to the integral is thus obtained from the region <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Since we are expanding for small <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the term involving <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> gives twice the result of the term involving <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Using the asymptotic expansion of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> we obtain to leading order in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> <disp-formula id="dd5"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dd5a1">≈</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dd5a1">≈</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dd5a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(D5)</label></disp-formula>Observing that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula> is odd in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> we obtain the last line of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d72">(72)</xref>.</p></app></app-group><ref-list><ref id="c1"><label>[1]</label><mixed-citation id="c1a" publication-type="journal"><object-id>1a</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>G. ’t Hooft</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>14</volume>, <page-range>3432</page-range> (<year>1976</year>); <pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>0556-2821</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.14.3432</pub-id></mixed-citation><mixed-citation id="c1b" publication-type="journal" specific-use="authorjournal"><object-id>1b</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>G. ’t Hooft</string-name></person-group><source>Phys. Rev. D</source><volume>18</volume>, <page-range>2199(E)</page-range> (<year>1978</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>0556-2821</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.18.2199.3</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c2"><label>[2]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>2</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. A. Belavin</string-name>, <string-name>A. M. Polyakov</string-name>, <string-name>A. S. Schwartz</string-name>, and <string-name>Yu. S. Tyupkin</string-name></person-group>, <source>Phys. Lett.</source> <volume>59B</volume>, <page-range>85</page-range> (<year>1975</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0370-2693(75)90163-X</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c3"><label>[3]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>3</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. J. Gross</string-name>, <string-name>R. D. Pisarski</string-name>, and <string-name>L. G. Yaffe</string-name></person-group>, <source>Rev. Mod. Phys.</source> <volume>53</volume>, <page-range>43</page-range> (<year>1981</year>).<pub-id pub-id-type="coden">RMPHAT</pub-id><issn>0034-6861</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/RevModPhys.53.43</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c4"><label>[4]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>4</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Schäfer</string-name> and <string-name>E. V. Shuryak</string-name></person-group>, <source>Rev. Mod. Phys.</source> <volume>70</volume>, <page-range>323</page-range> (<year>1998</year>).<pub-id pub-id-type="coden">RMPHAT</pub-id><issn>0034-6861</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/RevModPhys.70.323</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c5"><label>[5]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>5</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>H. Leutwyler</string-name> and <string-name>A. V. Smilga</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>46</volume>, <page-range>5607</page-range> (<year>1992</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>0556-2821</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.46.5607</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c6"><label>[6]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>6</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>V. Azcoiti</string-name>, <string-name>A. Galante</string-name>, and <string-name>V. Laliena</string-name></person-group>, <source>Prog. Theor. Phys.</source> <volume>109</volume>, <page-range>843</page-range> (<year>2003</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PTPKAV</pub-id><issn>0033-068X</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1143/PTP.109.843</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c7"><label>[7]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>7</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Kanazawa</string-name> and <string-name>A. Yamamoto</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>93</volume>, <page-range>016010</page-range> (<year>2016</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>2470-0010</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.93.016010</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c8"><label>[8]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>8</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>Y. Cai</string-name>, <string-name>T. Cohen</string-name>, <string-name>A. Goldbloom-Helzner</string-name>, and <string-name>B. McPeak</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>93</volume>, <page-range>114510</page-range> (<year>2016</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>2470-0010</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.93.114510</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c9"><label>[9]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>9</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. Gaiotto</string-name>, <string-name>Z. Komargodski</string-name>, and <string-name>N. Seiberg</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>01</issue> (<volume>2018</volume>) <page-range>110</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP01(2018)110</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c10"><label>[10]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>10</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>Y. Tanizaki</string-name> and <string-name>Y. Kikuchi</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>06</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>102</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP06(2017)102</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c11"><label>[11]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>11</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. J. M. Verbaarschot</string-name> and <string-name>T. Wettig</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>90</volume>, <page-range>116004</page-range> (<year>2014</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.90.116004</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c12"><label>[12]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>12</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Verbaarschot</string-name> and <string-name>T. Wettig</string-name></person-group>, <source>Proc. Sci.</source>, <issue>LATTICE2014</issue> (<volume>2014</volume>) <page-range>072</page-range>.<issn>1824-8039</issn></mixed-citation></ref><ref id="c13"><label>[13]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>13</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Kieburg</string-name>, <string-name>J. Verbaarschot</string-name>, and <string-name>T. Wettig</string-name></person-group>, <source>EPJ Web Conf.</source> <volume>175</volume>, <page-range>04004</page-range> (<year>2018</year>).<pub-id pub-id-type="coden">EWCPBI</pub-id><issn>2100-014X</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1051/epjconf/201817504004</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c14"><label>[14]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>14</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>E. V. Shuryak</string-name> and <string-name>J. J. M. Verbaarschot</string-name></person-group>, <source>Nucl. Phys.</source> <volume>A560</volume>, <page-range>306</page-range> (<year>1993</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NUPBBO</pub-id><issn>0550-3213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0375-9474(93)90098-I</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c15"><label>[15]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>15</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. J. M. Verbaarschot</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>72</volume>, <page-range>2531</page-range> (<year>1994</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.72.2531</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c16"><label>[16]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>16</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Banks</string-name> and <string-name>A. Casher</string-name></person-group>, <source>Nucl. Phys.</source> <volume>B169</volume>, <page-range>103</page-range> (<year>1980</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NUPBBO</pub-id><issn>0550-3213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0550-3213(80)90255-2</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c17"><label>[17]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>17</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. C. Osborn</string-name>, <string-name>K. Splittorff</string-name>, and <string-name>J. J. M. Verbaarschot</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>94</volume>, <page-range>202001</page-range> (<year>2005</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.94.202001</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c18"><label>[18]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>18</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Kanazawa</string-name>, <string-name>T. Wettig</string-name>, and <string-name>N. Yamamoto</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>12</issue> (<volume>2011</volume>) <page-range>007</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP12(2011)007</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c19"><label>[19]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>19</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>R. F. Dashen</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>3</volume>, <page-range>1879</page-range> (<year>1971</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>0556-2821</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.3.1879</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c20"><label>[20]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>20</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Creutz</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>92</volume>, <page-range>201601</page-range> (<year>2004</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.92.201601</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c21"><label>[21]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>21</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. P. Horkel</string-name> and <string-name>S. R. Sharpe</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>90</volume>, <page-range>094508</page-range> (<year>2014</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.90.094508</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c22"><label>[22]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>22</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. J. M. Verbaarschot</string-name> and <string-name>I. Zahed</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>70</volume>, <page-range>3852</page-range> (<year>1993</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.70.3852</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c23"><label>[23]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>23</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>P. H. Damgaard</string-name> and <string-name>S. M. Nishigaki</string-name></person-group>, <source>Nucl. Phys.</source> <volume>B518</volume>, <page-range>495</page-range> (<year>1998</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NUPBBO</pub-id><issn>0550-3213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/S0550-3213(98)00123-0</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c24"><label>[24]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>24</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Wilke</string-name>, <string-name>T. Guhr</string-name>, and <string-name>T. Wettig</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>57</volume>, <page-range>6486</page-range> (<year>1998</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>0556-2821</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.57.6486</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c25"><label>[25]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>25</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>C. Itzykson</string-name> and <string-name>J. B. Zuber</string-name></person-group>, <source>J. Math. Phys.</source> <volume>21</volume>, <page-range>411</page-range> (<year>1980</year>).<pub-id pub-id-type="coden">JMAPAQ</pub-id><issn>0022-2488</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1063/1.524438</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c26"><label>[26]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>26</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>L. Shifrin</string-name> and <string-name>J. J. M. Verbaarschot</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>73</volume>, <page-range>074008</page-range> (<year>2006</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.73.074008</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c27"><label>[27]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>27</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. D. Jackson</string-name>, <string-name>M. K. Sener</string-name>, and <string-name>J. J. M. Verbaarschot</string-name></person-group>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>387</volume>, <page-range>355</page-range> (<year>1996</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0370-2693(96)00993-8</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c28"><label>[28]</label><mixed-citation publication-type="book"><object-id>28</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. J. M. Verbaarschot</string-name></person-group>, in <source>Confinement, duality, and nonperturbative aspects of QCD, Proceedings of the NATO Advanced Study Institute, Newton Institute Workshop, Cambridge, UK, 1997</source> (<publisher-name>Springer</publisher-name>, Heidelberg, <year>1998</year>), pp. <page-range>343–378</page-range>.</mixed-citation></ref><ref id="c29"><label>[29]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>29</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Creutz</string-name></person-group>, <source>Ann. Phys. (Amsterdam)</source> <volume>339</volume>, <page-range>560</page-range> (<year>2013</year>).<pub-id pub-id-type="coden">APNYA6</pub-id><issn>0003-4916</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.aop.2013.10.003</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c30"><label>[30]</label><mixed-citation publication-type="misc"><object-id>30</object-id>Wolfram Research, Inc., Mathematica version 9.0, <year>2012</year>.</mixed-citation></ref><ref id="c31"><label>[31]</label><mixed-citation publication-type="book"><object-id>31</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>I. S. Gradshteyn</string-name> and <string-name>I. M. Ryzhik</string-name></person-group>, <source>Table of Integrals, Series and Products</source> <edition>7th ed.</edition> (<publisher-name>Academic Press</publisher-name>, London, UK, <year>2007</year>).</mixed-citation></ref></ref-list></back></article>
