Les mésons lourd-légers jouent un rôle majeur dans la recherche de nouvelle physique au delà du modèle standard. En particulier, les propriétés du méson B sont utilisées pour contraindre la matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) qui décrit les changements de saveur d’un quark lors d’une interaction faible.Les interactions entre quarks et gluons sont décrites par la théorie de l'interaction forte (QCD). Cette dernière prédit, qu'à faible énergie, le couplage de la théorie croît rendant tout traitement perturbatif impossible. La QCD sur réseau est une régularisation non-perturbative de la QCD adaptée aux simulations numériques. Néanmoins, l'étude des mésons lourd-légers est particulièrement délicate puisqu'elle nécessite la prise en compte de nombreuses échelles d'énergies. La théorie effective des quarks lourds (HQET) peut alors être utilisée : elle consiste en une expansion systématique du Lagrangien QCD et des fonctions de corrélation en puissance de 1/m où m est la masse du quark lourd.Après avoir présenté les outils de la QCD sur réseaux, un calcul de la masse du quark b avec nf=2 quarks dynamiques est présentée. Toutes les étapes sont réalisées de manière non-perturbative et le résultat est une importante vérification de la valeur actuellement citée par le PDG et qui repose essentiellement sur des calculs perturbatifs.Dans la seconde partie de la thèse, après avoir présenté les Lagrangiens décrivant les mésons lourd-légers dans la limite chirale, je présente le calcul de deux couplages. Le premier couplage est associé à la transition hadronique B* '→Bπ où B* 'est la première excitation radiale du méson B vecteur. Il est obtenue en étudiant le rapport de fonctions de corrélation à trois et deux points et le problème aux valeurs propres généralisées (GEVP) est utilisé pour isoler la contribution de l'état excité. Dans un second temps, le couplage h décrivant la transition entre des mésons B scalaire et pseudoscalaire est calculé. Ce couplage intervient dans les extrapolations chirales de différentes quantités, comme la constante de désintégration du méson B scalaire. Nous verrons que le couplage h est important et qu'il ne peux pas être négligé.Finalement, je présenterai nos résultats concernant le calcul de la masse et de la constant d'annihilation de la première excitation radiale du méson D. Je comparerai la masse obtenue avec celle du nouvel état récemment découvert par la Collaboration BaBar et j'expliquerai comment le calcul de la constante d'annihilation peut aider dans la résolution du problème "1/2 vs. 3/2''. Tout au long de ce travail, le GEVP est utilisé pour réduire la contribution des états excités. De plus les extrapolations chirales et la limite du continue sont étudiées afin de tenir compte des différentes sources d'erreurs statistiques. / Heavy-light mesons play an important role in the search of new physics beyond the Standard Model. In particular B-mesons properties can be used to put constraints on the matrix elements of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mixing matrix governing flavour-changing weak decays.The dynamics of quarks and gluons are described by Quantum Chromodynamic (QCD). This theory predicts that, at low energies, the associated coupling constant increases, making the use of perturbative methods ineffective. Lattice QCD is a non-perturbative regularization scheme of QCD, suitable for numerical simulations. However, studying heavy-light mesons remains a challenging task due to the many different energy scales that must be considered simultaneously on the lattice. In this work, I use the Heavy Quark Effective Theory (HQET), which consists in a systematic expansion of the QCD Lagrangian and correlation functions in 1/m where m is the mass of the heavy quark.After a presentation of the main techniques used in lattice simulations, a computation of the b-quark mass with nf=2 dynamical quarks is presented. All the steps are performed non-perturbatively, offering an important cross-check of the value cited in the PDG which mainly relies on perturbation theory. A computation of the B-meson decay constant at static and first orders in HQET will be also presented and phenomenological implication are discussed.In the second part of this thesis, after introducing the Heavy Meson Chiral Lagrangians and its different couplings, I present the lattice computation of two such couplings. The first one is associated to the hadronic transitionB* '→Bπ where B* 'is the radial excitation of the vector B meson. The Generalized Eigenvalue Problem (GEVP) will be used to extract information about the excited state from the ratio of three-point to two-point correlation functions and I will discuss the phenomenological implications of our results. Then, I will present the computation of the coupling h between the scalar and the pseudoscalar B mesons using two-point correlation functions. This coupling enters the formulae used to guide the chiral extrapolations when positive parity states are taken into account. We will see that h is large compared to the other couplings and that B meson orbital excitation degrees of freedom cannot be missed in chiral loops.Finally, I will present the lattice computation of the mass and decay constant of the first radial excitation of the D meson. The mass will be compared with the recently observed state by the BaBar Collaboration and I show how the decay constant can help to solve the so-called "1/2 vs. 3/2'' puzzle. In this work, the GEVP is used to control the contribution from higher excited states and continuum and chiral extrapolations are performed to take intro account systematic errors.

Der Autor hat das pastor-Softwarepaket für automatisierte Gitterstörungstheorie im Schrödingerfunktional entwickelt. Das pastor-Paket besteht aus zwei Bausteinen, die die Erzeugung von Vertexfunktionen und Feynmandiagrammen übernehmen. Ausgehend von recht generischen Formulierungen der Gitterwirkungen für Fermionen und Gluonen, die dem Vertexgenerator in symbolischer Form übergeben werden, erzeugt dieser Feynmanregeln zu beliebiger Ordnung in der nackten Kopplung. Dabei kann sowohl ein triviales als auch ein Abelsches Hintergrundfeld verwendet werden. Die vom zweiten Teil von pastor, einem Code-Generator, erzeugten Programme greifen auf den Vertexgenerator zu und berechnen alle Terme der perturbativen Entwicklung für eine Klasse von Schrödingerfunktional-Observablen bis zur Einschleifenordnung. Verbesserungsterme der Ordnung a werden dabei berücksichtigt. Wir werden die für die Funktionen der beiden Teile von pastor relevanten Algorithmen detailliert beschrieben und die Korrektheit unserer Implementierung mit einer Reihe von Vergleichen mit perturbativen und nichtperturbativen Daten belegen. Wir werden darauf die Nützlichkeit von pastor Anhand einiger Beispiele aus dem Abgleich von Heavy Quark Effective Theory mit Quantenchromodynamik demonstrieren. Wir haben unter Anderem eine Einschleifenrechnung zweier Kandidaten für Observablen, die aller Voraussicht nach in Zukunft für den Abgleich verwendet werden, zügig und mit geringem Aufwand durchgeführt. Dies zeigt die Stärken eines Softwarepakets für automatisierte Störungsrechnungen. Unsere Resultate werden als nützliche Richtschnur für zukünftige nichtperturbative Berechnungen dienen. / The author developed the pastor software package for automated lattice perturbation theory calculations in the Schrödinger functional scheme. The pastor code consists of two building blocks, dealing with the generation of Feynman rules and Feynman diagrams respectively. Accepting a rather generic class of lattice gauge and fermion actions, passed to the code in a symbolic form as input, a low level part of pastor will generate Feynman rules to an arbitrary order in the bare coupling with a trivial or an Abelian background field. The second, high level part of pastor is a code generator whose output relies on the vertex generator. It writes programs that evaluate Feynman diagrams for a class of Schrödinger functional observables up to one loop order automatically, the relevant O(a) improvement terms are taken into account. We will describe the algorithms used for implementation of both parts of the code in detail, and provide cross checks with perturbative and non-perturbative data to demonstrate the correctness of our code. We demonstrate the usefulness of the pastor package through various applications taken from the matching process of heavy quark effective theory with quantum chromodynamics. We have e.g. completed a one loop analysis for new candidates for matching observables timely and with rather small effort, highlighting two advantages of an automated software setup. The results that were obtained so far will be useful as a guideline for further non-perturbative studies.

Die Phänomenologie der pseudoskalaren Mesonen Ds und Bs sowie der Vektormesonen Ds* und Bs*, welche jeweils ein schweres und ein leichtes Quark enthalten, wurde in numerischen Simulationen von Gitter-QCD unter Vernachlässigung virtueller Fermionschleifen untersucht. Besonderer Wert wurde auf die Kontrolle und Minimierung aller systematischen Fehler innerhalb dieser Näherung gelegt. Die Zerfallskonstanten FDs und FDs* und die Massendifferenz zwischen dem Ds- und dem Ds*-Meson wurden aus der direkten Computersimulation von Gitter-QCD in großem physikalischen Volumen (L~1.5fm) bestimmt. Als Nebenprodukt konnte auch ein präziser Wert der renormierungsgruppen-invarianten Charm-Quarkmasse M_c ermittelt werden. Für die Monte-Carlo Simulationen von QCD auf dem Gitter, speziell im hier verwendeten Schrödinger Funktional, wurde eine plattformunabhängige Software entwickelt. Eine Reihe von Simulationen bei verschiedenen Gitterabständen erlaubte die Extrapolation der Ergebnisse zum Kontinuum. Da vergleichbare Simulationen für das Bs- und Bs*-Meson aufgrund der großen Masse des enthaltenen b-Quarks nicht möglich sind, wurde eine Interpolation in der Mesonmasse zu ihrem experimentell bekannten Punkt für die Zerfallskonstante und für den Wert der Massendifferenz durchgeführt. Interpoliert wurde dazu zwischen dem statischen Limes (unendliche Mesonmasse) und dem Bereich von Mesonmassen in der Größenordnung von m_Ds. Für insgesamt sechs Mesonmassen in diesem Bereich wurden die gewünschten Observablen deshalb aus Simulationen von Gitter-QCD in großem Volumen bestimmt und die Ergebnisse zum Kontinuum extrapoliert. Die Form der anschließenden Interpolation in der Mesonmasse zum statischen Limes wurde den Vorhersagen der Heavy Quark Effective Theory (HQET) entsprechend gewählt. Um diese auf QCD zu übertragen, wurden Konversionsfunktionen zwischen HQET und QCD hergeleitet und mit Hilfe von Ergebnissen aus der Störungstheorie numerisch bestimmt. Die Endergebnisse sind F_Ds = 226(7)MeV, F_Ds* = 239(18)MeV, F_Bs = 197(9)MeV, m_{Ds*}-m_{Ds} = 136(9)MeV, m_{Bs*}-m_{Bs} = 63(7)MeV und M_c = 1.60(3)GeV. Das Ergebnis für die Quarkmasse ist äquivalent zu mbar_c^MSbar(mbar_c) = 1.27(3)GeV. Aus der Analyse der so bestimmten Interpolationen ließ sich außerdem abschätzen, daß die führenden Korrekturen zum statischen Limes in der HQET relativ klein sind. Man erwartet deshalb, daß HQET im Bereich der B-Physik eine gute Näherung darstellt. / The phenomenology of the pseudo scalar mesons Ds and Bs and of the vector mesons Ds* and Bs*, each of which contain a heavy and a light quark, was investigated in simulations of quenched lattice QCD. The work was particularly focused on the minimisation of all systematic errors within this approximation. The decay constants FDs and FDs* and the difference in the masses between the pseudo scalar Ds-meson and the corresponding vector meson Ds* were determined from the direct computer simulation of lattice QCD in large physical volume (L~1.5fm). As an aside, the renormalisation group invariant charm quark mass M_c could be obtained from the simulation results. A platform independent software was developed for the Monte-Carlo simulations of lattice QCD within the Schrödinger Functional. A number of simulations at different lattice constants allowed the extrapolation of the results to the continuum. Since comparable simulations for the Bs- and the Bs*-meson are not feasible due to the large mass of the b-meson, an interpolation in the meson mass to its physical point was carried out for the decay constant and the mass splitting. The interpolation was carried out between the static limit and the range of meson masses of order m_Ds. The desired observables were therefore determined and extrapolated to the continuum for altogether six meson masses. The functional form of the subsequent interpolation in the meson mass to the static limit was guided by the prediction of the Heavy Quark Effective Theory (HQET). In order to apply it to the results obtained in QCD, a set of conversion functions between HQET and QCD were derived and evaluated numerically with input from results in perturbation theory. The final results are FDs = 226(7)MeV, FDs* = 239(18)MeV, FBs = 198(9)MeV, m_{Ds*}-m_{Ds} = 136(9)MeV, m_{Bs*}-m_{Bs} = 63(6)MeV and M_c = 1.60(3)GeV. The result for the renormalisation group invariant charm quark mass is equivalent to mbar_c^MSbar(mbar_c) = 1.27(3)GeV. The analysis of the interpolation furthermore allowed to estimate, that the lowest order corrections to the static limit in HQET are relatively small. One therefore can expect HQET to offer a good approximation in the range of B-physics.

Wir stellen eine Untersuchung einer Kombination zwischen HQET und relativistischer QCD vor, die das Ziel hat, die b-Quark Masse und die Zerfallskonstante des Bs-Mesons aus Gitter-Simulationen, unter Nichtbeachtung virtueller Fermionenschleifen, zu gewinnen. Wir beginnen mit einem kleinen Volumen, in dem man das b-Quark direkt simulieren kann, und stellen die numerische Verbindung mit einem großen Volumen, wo ``finite-size'''' Effekte vernachlässigbar sind, mit Hilfe einer ``finite-size'''' Methode her. Diese besteht aus zum Kontinuum extrapolierten Schritten, wobei der Massenpunkt, der der physikalischen b-Quark Masse entspricht, durch eine Interpolation erreicht wird. In diese Interpolation fliessen die in der HQET erzielten Resultate ein. Mit dem durch die Sommersche Skale r0 bestimmten Gitterabstand und den experimentalen Werten für die Bs- und K-Massen erhalten wir die Endergebnisse für die renormierungsgruppeninvariante Masse Mb = 6.88(10) GeV, äquivalent zu mb(mb) = 4.42(6) GeV in dem MSbar-Schema und fBs = 191(6) MeV für die Zerfallskonstante. Eine Renormierungsbedingung für den Chromo-magnetischen Operator, der in führender Ordnung der Entwicklung in der schweren Quarkmasse in HQET für die Massenaufspaltung zwischen dem pseudoskalaren und dem vektoriellen Kanal mesonischer schwer-leicht gebundener Zustände verantwortlich ist, wird auf der Basis von Gitter-Korrelationsfunktionen bereitgestellt. Dies eignet sich gut für eine nicht-störungstheoretische Rechnung, welche einen großen Bereich der Renormierungsskala umfasst und keine Valenz-Quarks beinhaltet. Die Zwei-Schleifen Ordnung der entsprechenden anomalen Dimension im Schrödinger-Funktional-Schema wird mit Hilfe von veröffentlichten Ergebnissen berechnet; dies erforderte eine neue Ein-Schleifen Rechnung im SF-Schema mit einem nicht verschwindenden Hintergrundfeld. Die Gitterartefakte bezüglich der Skalenentwicklung des Renormierungsfaktors werden zur Ein-Schleifen Ordnung untersucht, und es wird von nicht-störungstheoretischen Simulationen, unter Nichtbeachtung virtueller Fermionenschleifen, bestätigt, dass sie für die gegenwärtige verfügbare numerische Präzision vernachlässigbar sind. / We present a study of a combination of HQET and relativistic QCD to extract the b-quark mass and the Bs-meson decay constant from lattice quenched simulations. We start from a small volume, where one can directly simulate the b-quark, and compute the connection to a large volume, where finite size effects are negligible, through a finite size technique. The latter consists of steps extrapolated to the continuum limit, where the b-region is reached through interpolations guided by the effective theory. With the lattice spacing given in terms of the Sommer''s scale r0 and the experimental Bs and K masses, we get the final results for the renormalization group invariant mass Mb = 6.88(10) GeV, translating into mb(mb) = 4.42(6) GeV in the MSbar scheme, and fBs = 191(6) MeV for the decay constant. A renormalization condition for the chromo-magnetic operator, responsible, at leading order in the heavy quark mass expansion of HQET, for the mass splitting between the pseudoscalar and the vector channel in mesonic heavy-light bound states, is provided in terms of lattice correlations functions which well suits a non-perturbative computation involving a large range of renormalization scales and no valence quarks. The two-loop expression of the corresponding anomalous dimension in the Schrödinger functional (SF) scheme is computed starting from results in the literature; it requires a one-loop calculation in the SF scheme with a non-vanishing background field. The cutoff effects affecting the scale evolution of the renormalization factors are studied at one-loop order, and confirmed by non-perturbative quenched computations to be negligible for the numerical precision achievable at present.

Wir präsentieren eine Forschungsstudie zur Berechnung des Formfaktors f_+(q^2) für den semileptonischen Zerfall B_s -> K l nu in Gitter-QCD-Simulationen im großen Volumen mit zwei dynamischen Seequark-Flavours mit O(a)-verbesserten Wilson-Fermionen. Wir diskutieren die Berechnung relevanter Zwei- und Dreipunkt-Funktionen und betrachten komplementäre Methoden diese zu kombinieren, um den Formfaktor zu erhalten. Insbesondere stellen wir die Strategie eines kombinierten Fits vor, in den Datenpunkte aller Korrelatoren eingehen und der als Fitparameter Energien, Amplituden und den Formfaktor hat. Das b-Quark wird in HQET behandelt; unsere momentane Analyse konzentriert sich auf den statischen Grenzfall. Indes haben wir den Code für alle nötigen O(1/m_h)-Korrekturen entwickelt und die Messungen dieser durchgeführt; sie werden verwendet werden, sobald ihre Koeffizienten von der ALPHA-Kollaboration bestimmt worden sein werden. Um den Formfaktor auf allen Ensembles bei dem gleichen Wert des Impulsübertrags q^2 bestimmen zu können, führen wir getwistete Randbedingungen für das s- und das b-Quark ein, die ein freies Einstellen der Quarkimpulse und damit von q^2 ermöglichen. Wir führen Messungen auf einer Untermenge von N_f=2 CLS Eichkonfigurationen durch und erhalten den Formfaktor bei drei verschiedenen Gitterabständen und etwa gleicher Pionmasse von ungefähr 330 MeV. Wir benutzen diese, um eine Kontinuumsextrapolation durchzuführen, und beobachten, dass diese relativ flach in a^2 ist. Eine Messung bei einer unterschiedlichen Pionmasse deutet an, dass Quarkmassen-Effekte klein sind. Wir vergleichen unseren Kontinuumswert des Formfaktors mit kürzlich veröffentlichten Ergebnissen anderer Kollaborationen und stellen eine gute Übereinstimmung fest. / We present an exploratory study of the calculation of the form factor f_+(q^2) for the semileptonic decay B_s -> K l nu in large-volume lattice QCD simulations with two dynamical sea quark flavours using O(a) improved Wilson fermions. We discuss the computation of relevant two- and three-point functions and consider complementary methods how these can be combined to obtain the form factor. In particular, we put forward the strategy of a combined fit in which data of all correlators enter and which has as fit parameters energies and amplitudes of the correlators and the form factor. The b quark is treated in HQET; our present analysis focuses on the static limit. Meanwhile, we have developed the code and performed the measurements of all needed O(1/m_h) corrections which will be used as soon as their coefficients will have been computed by the ALPHA collaboration. In order to be able to measure the form factor at the same value of the momentum transfer q^2 on all ensembles, we impose twisted boundary conditions on the s and b quarks that allow for a free tuning of the quark momenta and thus of q^2. We perform measurements on a subset of N_f=2 CLS gauge configurations, obtaining the form factor at three different lattice spacings and roughly the same pion mass of about 330 MeV. Using these, we carry out a continuum extrapolation and observe that it is relatively flat in a^2. A measurement at a different pion mass indicates that quark mass effects are small. We compare our continuum value of the form factor with recently published results of other collaborations and observe a good agreement.

Diese Arbeit befasst sich mit der Konstruktion verbesserter interpolierender Mesonenfelder in der Gitter-QCD. Sie hat das primäre Ziel, Korrelationsfunktionen mit einem deutlich reduzierten Beitrag des ersten angeregten Mesonenzustandes zu erhalten, um eine sicherere Bestimmung von Massen und Zerfallskonstanten der Mesonen zu ermöglichen. Eine Basis solcher interpolierender Mesonen-Randfelder wird im Schrödinger Funktional in der gequenchten Approximation benutzt. Verbesserte interpolierende Felder zur Bestimmung spektraler Eigenschaften leichter pseudoskalarer Mesonen sowie des B--Mesonensystems (letzteres wird in führender Ordnung der HQET behandelt) werden auf mehreren Wegen gewonnen. Ein Hilfsmittel, verbesserte Felder zu konstruieren, ist das Variationsprinzip. Es wird auf Matrizen von Rand-Rand-Korrelationsfunktionen angewandt. Darüber hinaus werden alternative Analysemethoden vorgestellt. Sie erlauben sowohl die Abschätzung der Grundzustandsenergie als auch der Energielücke zum ersten radial angeregten Zustand. Die Untersuchung des B-Mesonensystems ist in vielfacher Hinsicht interessant. Zum einen werden sie in sogenannten B-Fabriken, wie z. B. im BaBar- und Belle-Experiment, in grosser Zahl erzeugt, um ihre charakteristischen Eigenschaften (Masse, Zerfallsbreiten, CP-Symmetrie verletzende Zerfälle usw.) genau zu messen. Zum anderen müssen die von der Theorie vorhergesagten auftretenden Phänomene, wie z. B. die CP-Verletzung, auch verstanden werden. Die Methoden der Gittereichtheorie können unter anderem dabei helfen, bestehende Unsicherheiten in CKM-Matrixelementen durch nicht-perturbative Bestimmungen hadronischer Massen, Zerfallskonstanten usw. zu reduzieren. / The general aim of this thesis is to probe several methods to extract low-energy quantities (masses, decay constants, ...) more reliably in lattice gauge theory. We will investigate how to suppress contributions to correlation functions from the first excited meson state. We will show how to construct so-called improved meson interpolating fields, as they have only small contributions from the first excited meson state, from a basis of interpolating fields at the Schrödinger functional boundaries. The variational principle is applied to correlation matrices that are built up from boundary-to-boundary correlation functions. It will deliver information about the lowest-lying meson states in the considered channel. We also investigate the possibility to cancel the first excited state contribution by means of an alternative method. Moreover, an alternative way to extract the mass gap between the ground and the first excited state will be presented. Monte-Carlo simulations at several lattice spacings are performed in the ''quenched approximation''. Spectral properties of light-light and static-light pseudoscalar mesons are investigated. The first type is realised by two mass-degenerate quarks at about the strange quark mass, the second type by a light quark with the mass of the strange quark and an infinitely heavy b-quark. The light-light channel describes unphysically heavy pions and the static-light one is an approximation for the Bs-meson. The investigation of the latter case is particularly interesting since so-called B--factories, such as BaBar and Belle, are gathering physical information about masses, decay modes and CP--violating effects in the B--meson system.

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