Tableaux combinatorics for two-species PASEP probabilities

Abstract

The goal of this paper is to provide a combinatorial expression for the steady state probabilities of the twospecies PASEP. In this model, there are two species of particles, one “heavy” and one “light”, on a one-dimensional finite lattice with open boundaries. Both particles can hop into adjacent holes to the right and left at rates 1 and $q$. Moreover, when the heavy and light particles are adjacent to each other, they can switch places as if the light particle were a hole. Additionally, the heavy particle can hop in and out at the boundary of the lattice. Our first result is a combinatorial interpretation for the stationary distribution at $q=0$ in terms of certain multi-Catalan tableaux. We provide an explicit determinantal formula for the steady state probabilities, as well as some general enumerative results for this case. We also describe a Markov process on these tableaux that projects to the two-species PASEP, and hence directly explains the connection between the two. Finally, we extend our formula for the stationary distribution to the $q=1$ case, using certain two-species alternative tableaux. Le but de ce document est de fournir une expression combinatoire décrivant les probabilités de l’état d’équilibre de PASEP à deux espèces. Dans ce modèle, il existe deux espèces de particules, une “lourde” et une “légère”, disposées sur un réseau fini unidimensionnel. Les deux particules peuvent sauter dans les trous adjacents à droite et à gauche, avec des probabilités proportionnelles à 1 et $q$. Par ailleurs, lorsque les particules lourdes et légères sont à côté l’une de l’autre, elles peuvent changer de place, comme si la particule légère était un trou. En outre, la particule lourde peut sauter dans et hors de la frontière du réseau. Notre premier résultat est une interprétation combinatoire de la distribution stationnaire dans le cas $q=0$, en termes de certains tableaux “multi-Catalan”. Nous proposons une formule explicite déterminantale pour les probabilités stationnaires, ainsi que plusieurs résultats énumératifs généraux pour ce cas. Nous décrivons aussi un processus de Markov sur ces tableaux, qui se projette sur le PASEP à deux espèces, et qui fournit donc directement une connexion entre les deux. Enfin, nous exprimons notre formule pour la distribution stationnaire dans le cas $q=1$, en utilisant certains tableaux alternatifs de deux espèces.