In der Gitterquantenchromodynamik sind der Einsatz von unphysikalisch großen Quarkmassen und die Extrapolation von Ergebnissen zu physikalischen Massen signifikante systematische Fehlerquellen. In dieser Arbeit wird die praktische Durchführbarkeit numerischer Simulationen der Quantenchromodynamik mit physikalisch leichten up und down Quarkmassen unter Verwendung der Wilson twisted mass Diskretisierung untersucht. Simulationen im Regime physikalisch leichter Quarkmassen sind jedoch einerseits numerisch sehr aufwendig, können andererseits aber auch durch das Auftreten großer Diskretisierungsartefakte nicht praktikabel sein. Anhand von Simulationen mit massendegenerierten dynamischen up und down Quarks wird dargestellt dass die Erweiterung der twisted mass Fermionwirkung durch den Sheikholeslami-Wohlert Term es ermöglicht physikalisch leichte Quarkmassen zu erreichen. Es wird gezeigt, dass die Simulationen stabil sind und dass die Parameter der diskretisierten Theorie so gewählt werden können, dass das geladene Pion seine physikalische Masse annimmt. Ferner wird dargestellt, dass auch die Parameter für eine Simulation mit dynamischen massendegenerierten up und down quarks sowie nichtdegenerierten strange und charm Quarks schrittweise auf ihre physkalischen Werte gesetzt werden können. Um das Verhalten von Observablen bei physikalischer Quarkmasse zu untersuchen, werden Massen und Zerfallskonstanten von pseudoskalaren Mesonen mit up, down sowie strange und charm Valenzquarks berechnet. Die Ergebnisse stimmen größtenteils überein mit den phänomenologischen Werten, obwohl weder Kontinuumslimes noch die Extrapolation zu unendlichem Volumen durchgeführt werden. Renormierte leichte, strange und charm Quarkmassen werden über Interpolationen in hadronischen Observablen berechnet und stimmen ebenso größtenteils mit phänomenologischen Werten und anderen Ergebnissen aus der Gitter-QCD überein. / In computer simulations of Lattice Quantum Chromodynamics, the usage of unphysically large quark masses and the subsequent extrapolation of results to the physical value of the quark masses are major sources of systematic uncertainty. In this thesis, the feasibility and practicality of numerical simulations of Quantum Chromodynamics with physically light up and down quarks using the Wilson twisted mass quark discretisation are explored. Working in this regime is complicated firstly by the numerical expense of these simulations and secondly by the presence of potentially large lattice artefacts. The twisted mass discretisation is affected by an unphysical mass difference between the charged and neutral pions, rendering simulations at the physical charged pion mass infeasible if this mass splitting is too large. With the aim of reducing it, the Sheikholeslami-Wohlert term is added to the twisted mass fermion action and simulations with mass degenerate up and down quarks are then performed as a proof of concept. It is demonstrated that these simulations are stable and that the parameters of the lattice theory can be successfully tuned to correspond to the physical charged pion mass. Subsequently, the parameter tuning for simulations with mass degenerate up and down quarks as well as strange and charm quarks is explored and it is shown that it can be carried out in steps. As benchmark observables, the masses and decay constants of pseudoscalar mesons with light, strange and charm valence quarks are calculated and seen to largely reproduce their phenomenological values, even though continuum and infinite volume extrapolations are not performed. Light, strange and charm quark mass estimates are determined based on this data and also seen to coincide with phenomenological and other lattice determinations.

Die spontane Brechung der chiralen Symmetrie ist ein faszinierendes Phenomän der QCD mit fundamentalen phänomenologischen Implikationen. Die Brechung der chiral Symmetrie ist beispielsweise verantwortlich für die niedrige Masse der Pionen, welche die effektiven Goldstone Boson der spontan gebrochene Symmetrie sind. Die spontane Brechung der chiral Symmetrie und die chirale Anomalie sind niedrig Energie-Phenomäne der QCD, weshalb nichtperturbative Methoden nötig sind um sie zu studieren. In der vorliegenden Arbeit verwenden wir die Gitterregularisierung der QCD, um das chirale Kondensat, den Ordnungsparameter der spontanen Brechung der chiralen Symmetrie zu bestimen. Dazu wendeten wir die Definition der in dieser Arbeit studierten Observablen über Dichteketten an, die eine theoretisch wohldefinierte Bahndlung der Observablen zulässt. Für die praktische Berechnung wurde die kürzlich entwickelte Methode der spektralen Projektoren angewandt. In dieser Weise berchnen wir den Kontinuumlimes des chiralen Kondensates, das im chiralen Limes gewonnen, sowohl für N_f=2 als auch für N_f=2+1+1 Flavour von so genannten twisted mass Fermionen. Des Weiteren untersuchen wir das chirale Verhalten der topologischen Suszeptibilität. Wir verwenden hier wieder die Methode der spektralen Projektoren, anstelle aufwendigerer Verfahren, die chirale Symmetrie erhalten, aber zu numerisch sehr aufwändigen Simulationen führen. Schließ lich kommentieren wir die sich aus den starken Autokorrelationen ergebenden Schwierigkeiten dieser Rechnung. Abschließ end stellen wir die Kontinuumlimes-Ergebnisse der topologischen Suszeptibilität in der rein gluonischen Theorie vor, die es uns erlauben, die Witten-Veneziano-Formel zu testen. Unseren Untersuchung zufolge ist diese Formel gut erfüllt. Diese Tatsache stützt die Gültigkeit der Formel, die die topologischen Fluktuationen der Eichfelder mit der unerwartet groß en Masse des eta'' Mesons in Verbindung setzt. / The spontaneous breaking of chiral symmetry is a fascinating phenomenon of QCD whose mechanism is still not well understood and it has fundamental phenomenological implications. It is, for instance, responsible for the low mass of the pions which are effectively Goldstone bosons of the spontaneously broken symmetry. Since these phenomena belong to the low energy regime of QCD, non-perturbative techniques have to be applied in order to study them. In this work we use the twisted mass lattice QCD regularization to compute the chiral condensate, the order parameter of spontaneous chiral symmetry breaking. To this end we apply the recently introduced method of spectral projectors which allows us to perform calculations in large volumes due to its inherently low computational cost. This approach, moreover, enables a direct calculation of the chiral condensate based on a theoretically clean definition of the observable via density chains. We thus present a continuum limit determination of the chirally extrapolated condensate for N_f=2 and N_f=2+1+1 flavours of twisted mass fermions at maximal twist. In addition we study the chiral behavior of the topological susceptibility, a measure of the topological fluctuations of the gauge fields. We again apply the spectral projector method for this calculation. We comment on the difficulties which appear in the calculation of this observable due to the large autocorrelations involved. Finally we present the continuum limit result of the topological susceptibility in the pure gluonic theory which allows us to perform a test of the Witten-Veneziano relation. We found that this relation is well satisfied. Our results support the validity of the Witten-Veneziano formula which relates the topological fluctuations of the gauge fields with the unexpectedly large value of the eta''

In dieser Arbeit werden Massen und Zerfallskonstanten von pseudoskalaren Mesonen, insbes. dem Pion und dem D-s-Meson, im Rahmen der Quantenchromodynamik (QCD) berechnet. Diese Größen wurden im Rahmen der Gitter-QCD, einer gitter-regularisierten Form der QCD, mit vier dynamischen Twisted-Mass Fermionen (Up-, Down-, Strange- und Charm-Quark) berechnet. Dieses Setup bieten den Vorteil der automatischen O(a)-Verbesserung. Der Gitterabstand a wurde mit Hilfe der Pion-Masse und -Zerfallskonstante durch Extrapolation zum physikalischen Punkt, geg. durch das physikal. Verhältnis von f_pi/M_pi, bestimmt. Dabei kamen Formeln aus der chiralen Störungstheorie, die die speziellen Diskretisierungseffekte des Twisted-Mass-Formalismus berücksichtigen, zum Einsatz. Die bestimmten Werte des Gitterabstands, a=0.0899(13) fm (@ beta=1.9), a=0.0812(11) fm (@ beta=1.95) und a = 0.0624(7) fm (@beta=2.1) liegen etwa fünf Prozent über denen vorheriger Bestimmungen (Baron et. al. 2010). Dies erklärt sich vor allem durch eine Untersuchung bezüglich der Anwendbarkeit des Bereiches der Up-/Down-Quark-Massen auf die verwendeten Extrapolationsformeln. Zur Untersuchung des physikalischen Grenzwertes von f_{D_s} werden Formeln der chiralen Störungstheorie für schwere Mesonen (HM-ChiPT) eingesetzt. Das Endergebnis dieser Betrachtung f_{D_s} = 248.9(5.3) MeV liegt etwas über vorherigen Bestimmungen (ETMC 2009, arXiv:0904.095. HPQCD 2010, arXiv:1008.4018) und etwa zwei Standardabweichungen unter dem Mittel aus experimentellen Werten (PDG 2012). Ein weiterer Teil dieser Arbeit behandelt die i.A. schwierige Berechnung von unverbundenen Beiträgen, die z.B. bei der Berechnung der Masse des neutralen Pions eine Rolle spielen. In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur Approximation solcher Beiträge vorgestellt, welche auf der sog. Quasi-Monte-Carlo-Methode (QMC-Methode) beruht. Diese Methode birgt große Möglichkeiten zu enormen Einsparungen der Rechenzeit. / This work deals with the determination of decay constants and masses of the pion and D-s meson. This happens in the framework of lattice QCD, a lattice regularised form of QCD. The four dynamical fermions (up, down, strange and charm quark) are described by the twisted-mass approach (TM-QCD) featuring automatic O(a) improvement. The lattice spacing a has been determined using the pion mass and decay constant extrapolated to the physical point, which is determined by the physical ratio f_pi/m_pi. In order to obtain an accurate description, new formulae from Chi-PT, taking into account the special form of discretisation effects of TM-QCD have been employed. The determined results of a = 0.0899(13) fm (@ beta=1.9), a = 0.0812(11)fm (@ beta=1.95) and a = 0.0624(7) fm (@ beta=2.1) are approximately 5% larger than previous determinations (Baron et. al. 2010). This shift is most likely explained by the reduced range of pion masses (

Wir stellen die Resultate einer Untersuchung von Strom-Strom-Korrelatoren beruhend auf den Grundprinzipien der Quantenchromodynamik vor. Wir benutzen die nicht-perturbativen Methoden der sogenannten twisted mass Gitter-QCD mit dynamischem up- und down-Quark unter Ausnutzung der automatischen O(a)-Verbesserung. Als Anwendung diskutieren wir die Berechnung des hadronischen Beitrags zur Korrektur in führender Ordnung in der elektromagnetischen Kopplung zum anomalen magnetischen Moment des Myons. Dieses gilt als eine sehr geeignete Größe für die aktuelle Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells, besonders im Hinblick auf die Diskrepanz zwischen der Vorhersage aus dem Standardmodell und dem experimentell gemessenen Wert. Innerhalb der theoretischen Bestimmung ist der hadronische Anteil führender Ordnung mit der größten Unsicherheit behaftet und genießt derzeit somit naturgemäß Priorität. Wir beschreiben unsere Studie aller systematischen Unsicherheiten der Gitterrechnung auf Grundlage von drei Gittervolumina, zwei Gitterabständen, Pionmassen im Bereich von 650 MeV bis 290 MeV und den Quark-unverbundenen Beiträgen. Für die Extrapolation zum physikalischen Punkt stellen wir eine neue Methode vor, welche die Abhängigkeit von der Pionmasse hinreichend abschwächt und eine lineare Extrapolation ermöglicht. Im Ergebnis bestimmen wir den Beitrag von up- und down-Quark zu a_mu^hlo(N_f=2) = 5.69 (15) 10^(-8). Die dargelegten Methoden werden auf das Elektron- und das Tau-Lepton erweitert mit dem Resultat a_el^hlo(N_f=2) = 1.512 (43) 10^(-12) bzw. a_tau^hlo(N_f=2) = 2.635 (54) 10^(-6). Wir schätzen den Beitrag des charm-Quarks zu a_mu^hlo in der Partially Quenched tmLQCD mit dem Resultat a_mu^hlo(charm) = 1.447 (24) (30) 10^(-9) in Übereinstimmung mit der Vorhersage über die Dispersionsrelation unter Hinzunahme experimenteller Daten für das hadronische R-Verhältnis. / We present an investigation of hadronic current-current correlators based on the first principles of Quantum Chromodynamics. Specifically we apply the non-perturbative methods of twisted mass lattice QCD with dynamical up and down quark taking advantage of its automatic O(a) improvement. As a special application we discuss the calculation of the hadronic leading order contribution to the muon anomalous magnetic moment. The latter is regarded as a promising quantity for the search for physics beyond the standard model. The origin of the strong interest in the muon anomaly lies in the persistent discrepancy between the standard model estimate and its experimental measurement. In the theoretical determination the hadronic leading order part is currently afflicted with the largest uncertainty and a dedicated lattice investigation of the former can be of strong impact on future estimates. We discuss our study of all systematic uncertainties in the lattice calculation, including three lattice volumes, two lattice spacings, pion masses from 650 MeV to 290 MeV and the quark-disconnected contribution. We present a new method for the extrapolation to the physical point that softens the pion mass dependence of a_mu^hlo and allows for a linear extrapolation with small statistical uncertainty at the physical point. We determine the contribution of up and down quark as a_mu^hlo(N_f=2) = 5.69 (15) 10^(-8). The methods used for the muon are extended to the electron and tau lepton and we find a_el^hlo(N_f=2) = 1.512 (43) 10^(-12) and a_tau^hlo(N_f=2) = 2.635 (54) 10^(-6). We estimate the charm contribution to a_mu^hlo in partially quenched tmLQCD with the result a_mu^hlo(charm) = 1.447 (24) (30) 10^(-9) in very good agreement with a dispersion-relation based result using experimental data for the hadronic R-ratio.

Les désintégrations semileptoniques du méson $B$ participent à la détermination de certains paramètres fondamentaux du Modèle Standard. Ce travail décrit essentiellement l'étude des deux canaux de désintégrations $B_s \to D_s \ell \bar\nu_\ell$ et $B\to D^{**} \ell\bar\nu_\ell$ (où les $D^{**}$ sont les premières excitations orbitales des mésons $D$ ayant une parité positive). Le cadre théorique est celui de la QCD sur réseau qui, en discrétisant l'espace-temps, permet de calculer non perturbativement les fonctions de Green de la théorie. En utilisant l'action à masse twistée avec deux saveurs dégénérées de quarks dynamiques ($N_f=2$), nous avons commencé par étudier la spectroscopie des états charmés scalaires $D_0^*$ et tenseurs $D_2^*$. Ensuite, nous avons réalisé la détermination du facteur de forme $G_s(1)$ décrivant le processus $B_s\to D_s \ell \bar\nu_\ell$ dans le Modèle Standard. Ce paramètre offre un moyen d'extraire l'élément de la matrice CKM $V_{cb}$. Par ailleurs, et pour la première fois en QCD sur réseau, nous avons déterminé les rapports $F_0(q^2)/F_+(q^2)$ et $F_T(q^2)/F_+(q^2)$ dans la région proche du recul nul: ces contributions sont en effet nécessaires afin de discuter ce canal de désintégration dans certains modèles au-delà du Modèle Standard. Enfin, une étude préliminaire du canal de désintégration $B\to D^{**}$ a été abordée où nous avons trouvé une valeur non nulle de l'élément de matrice décrivant la désintégration $B\to D_0^*$ à recul nul contrairement de ce qui est connu à la limite des quarks lourds. Dans le cas du $B \to D_2^*$, nos résultats ont montré un signal indiquant une différence par rapport aux prédictions de masse infinie. Ces calculs sont indispensables afin de tirer une conclusion plus solide concernant le ``puzzle 1/2 vs 3/2''. / Semileptonic decays of $B$ mesons provide a rich source of knowledge for determining fundamental parameters of the Standard Model. This work reports mainly on the study of two semileptonic decay channels: the $B_s \to D_s \ell\bar\nu_\ell$ and $B\to D^{**} \ell\bar\nu_\ell$ (where the $D^{**}$ are the first orbitally excited states of the $D$ mesons having a positive parity). The theoretical framework is Lattice QCD which is considered as the only satisfying approach which calculates in a non perturbative way the transition amplitudes from first principles. By using the twisted mass QCD on the lattice with $N_f = 2$ dynamical flavors we studied, first, the spectroscopy of the scalar $D_0^*$ and the tensor $D_2^*$ states. Then, we determined the normalization $G_s(1)$ of the form factor dominating $B_s \to D_s \ell \bar\nu_\ell$ in the Standard Model which provides a means of extracting the CKM matrix element $V_{cb}$. Next, we make the first lattice determination of $F_0(q^2)/F_+(q^2)$ and $F_T(q^2)/F_+(q^2)$ near the zero recoil. The obtained results are important for the discussion of this decay in various scenarios of physics beyond the Standard Model. Finally, we did a preliminary study of $B\to D^{**}$ where we have obtained a non vanishing matrix element corresponding to the decay of $B$ into the $D_0^*$ at zero recoil contrary to what was known in the heavy quark limit. Moreover, the computations corresponding to $B\to D_2^*$ show a signal indicating a difference with respect to the infinite mass limit prediction. These results are important to draw a firm conclusion on the ``1/2 vs 3/2 puzzle''.

Die nicht perturbative Formulierung der Quantenchromodynamik (QCD) auf dem vierdimensionalen euklidischen Gitter in Zusammenhang mit der sogenannten Finite-Size-Scaling Methode ermoeglicht die nicht-perturbative Renormierung der QCD-Parameter. Um praezise Vorhersagen aus der Gitter-QCD zu erhalten, ist es noetig, die dynamischen Fermion-Freiheitsgrade in den Gitter-QCD-Simulationen zu beruecksichtigen. Wir betrachten QCD mit zwei und vier O(a)-verbesserten Wilson-Quark-Flavours, wobei deren Masse degeneriert ist. In dieser Dissertation verbessern wir die vorhandenen Bestimmungen des fundamentalen Parameters der Zwei- und Vier-Flavor-QCD. In der Vier-Flavor-Theorie berechnen wir den praezisen Wert des Lambda-Parameters in Einheiten der Skale Lmax, welche im hadronischen Bereich definiert ist. Zudem geben wir auch die praezise Bestimmung der laufenden Schoedinger-Funktional-Kopplung in Vier-Flavor-Theorie an sowie deren Vergleich zu perturbativen Resultaten. Die Monte-Carlo Simulationen der Gitter-QCD in der Schroedinger-Funktional-Formulierung wurden mittels der plattformunabhaengigen Software Schroedinger-Funktional-Mass-Preconditioned- Hybrid-Monte-Carlo (SF-MP-HMC) durchgefuehrt, die als Teil dieses Projektes entwickelt wurde. Schliesslich berechnen wir die Masse des Strange-Quarks und den Lambda-Parameter in Zwei-Flavor-Theorie, wobei die voll-kontrollierte Kontinuums- und chirale Extrapolation zum physikalischen Punkt durchgefuehrt wurden. Um dies zu erreichen, entwickeln wir eine universale Software fuer Simulationen der zwei Wilson-Fermionen-Flavor mit periodischen Randbedingungen, namens Mass-Preconditioned-Hybrid-Monte-Carlo (MP-HMC). Die MP-HMC wird verwendet um Simulationen mit kleinen Gitterabstaenden und in der Naehe der physikalischen Pionmasse ausfuehrlich zu untersuchen. / The non-perturbative formulation of Quantumchromodynamics (QCD) on a four dimensional space-time Euclidean lattice together with the finite size techniques enable us to perform the renormalization of the QCD parameters non-perturbatively. In order to obtain precise predictions from lattice QCD, one needs to include the dynamical fermions into lattice QCD simulations. We consider QCD with two and four mass degenerate flavors of O(a) improved Wilson quarks. In this thesis, we improve the existing determinations of the fundamental parameters of two and four flavor QCD. In four flavor theory, we compute the precise value of the Lambda parameter in the units of the scale Lmax defined in the hadronic regime. We also give the precise determination of the Schroedinger functional running coupling in four flavour theory and compare it to the perturbative results. The Monte Carlo simulations of lattice QCD within the Schroedinger Functional framework were performed with a platform independent program package Schroedinger Funktional Mass Preconditioned Hybrid Monte Carlo (SF-MP-HMC), developed as a part of this project. Finally, we compute the strange quark mass and the Lambda parameter in two flavour theory, performing a well-controlled continuum limit and chiral extrapolation. To achieve this, we developed a universal program package for simulating two flavours of Wilson fermions, Mass Preconditioned Hybrid Monte Carlo (MP-HMC), which we used to run large scale simulations on small lattice spacings and on pion masses close to the physical value.

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Gitter QCD ist ein erfolgreiches Instrument zur nicht-perturbativen Berechnung von QCD Observablen. Die hierfür notwendige Auswertung des QCD Pfadintegrals besteht aus zwei Teilen: Zuerst werden Stützstellen generiert, an denen danach das Pfadintegral ausgewertet wird. In der Regel werden für den ersten Teil Markov-chain Monte Carlo (MCMC) Methoden verwendet, die für die meisten Anwendungen sehr gute Ergebnisse liefern, aber auch Probleme wie eine langsame Fehlerskalierung und das numerische Vorzeichenproblem bergen. Der zweite Teil beinhaltet die Berechnung von Quark zusammenhängenden und unzusammenhängenden Diagrammen. Letztere tragen maßgeblich zu physikalischen Observablen bei, jedoch leidet deren Berechnung an großen Fehlerabschätzungen. In dieser Arbeit werden Methoden präsentiert, um die beschriebenen Schwierigkeiten in beiden Auswertungsteilen des QCD Pfadintegrals anzugehen und somit Observablen effizienter beziehungsweise genauer abschätzen zu können. Für die Berechnung der unzusammenhängenden Diagramme haben wir die Methode der exakten Eigenmodenrekonstruktion mit Deflation getestet und konnten eine 5.5 fache Verbesserung der Laufzeit erreichen. Um die Probleme von MCMC Methoden zu adressieren haben wir die rekursive numerische Integration zur Vereinfachung von Integralauswertungen getestet. Wir haben diese Methode, kominiert mit einer Gauß-Quadraturregel, auf den eindimensionalen quantenmechanischen Rotor angewandt und konnten exponentiell skalierende Fehlerabschätzungen erreichen. Der nächste Schritt ist eine Verallgemeinerung zu höheren Raumzeit Dimensionen. Außerdem haben wir symmetrisierte Quadraturregeln entwickelt, um das Vorzeichenproblem zu umgehen. Wir haben diese Regeln auf die eindimensionale QCD mit chemischem Potential angewandt und konnten zeigen, dass sie das Vorzeichenproblem beseitigen und sehr effizient auf Modelle mit einer Variablen angewendet werden können. Zukünftig kann die Effizienz für mehr Variablen verbessert werden. / Lattice QCD is a very successful tool to compute QCD observables non-perturbatively from first principles. The therefore needed evaluation of the QCD path integral consists of two parts: first, sampling points are generated at which second, the path integral is evaluated. The first part is typically achieved by Markov-chain Monte Carlo (MCMC) methods which work very well for most applications but also have some issues as their slow error scaling and the numerical sign-problem. The second part includes the computation of quark connected and disconnected diagrams. Improvements of the signal-to-noise ratio have to be found since the disconnected diagrams, though their estimation being very noisy, contribute significantly to physical observables. Methods are proposed to overcome the aforementioned difficulties in both parts of the evaluation of the lattice QCD path integral and therefore to estimate observables more efficiently and more accurately. For the computation of quark disconnected diagrams we tested the exact eigenmode reconstruction with deflation method and found that this method resulted in a 5.5-fold reduction of runtime. To address the difficulties of MCMC methods, we tested the recursive numerical integration method, which simplifies the evaluation of the integral. We applied the method in combination with a Gauss quadrature rule to the one-dimensional quantum-mechanical rotor and found that we can compute error estimates that scale exponentially to the correct result. A generalization to higher space-time dimensions can be done in the future. Additionally, we developed the symmetrized quadrature rules to address the sign-problem. We applied them to the one-dimensional QCD with a chemical potential and found that this method is capable of overcoming the sign-problem completely and is very efficient for models with one variable. Improvements of the efficiency for multi-variable scenarios can be made in the future.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à certains aspects concernant les phénomènes hadroniques à basse énergie sous 1 GeV, en dessous de laquelle la symétrie chirale de la Chromodynamique Quantique (QCD) est spontanément brisée. En dessous de cette échelle d'énergie, le spectre de QCD se réduit à un octet de mésons légers pseudo-scalaires (π, K and η). Mais à cause du confinement, QCD sous 1 GeV devient hautement non perturbative – il n'est donc plus possible de décrire à basse énergie la dynamique de ces mésons en termes de gluons et de quarks (ici seuls les quarks légers u, d et s sont concernés). Deux alternatives principales à cet obstacle majeur existent néanmoins: la QCD sur réseau ainsi que les Théories Effectives des Champs. La QCD sur réseau consiste à calculer de manière numériques les diverses observables hadroniques, alors que les théories effectives permettent de nouveau une approche analytique (et perturbative) adaptée à une échelle d'énergie donnée. Dans le cas de QCD à basse énergie, c'est la Théorie Chirale des Perturbations (ChiPT) qui joue le rôle de théorie effective. Cette théorie peut être construite à partir de deux saveurs de quarks légers (u et s) ou trois (u,d, et s). Il est alors possible d'utiliser certains résultats de calculs sur réseau (ainsi que certains résultats expérimentaux) afin d'extraire des valeurs numériques pour les divers paramètres libres que contient la théorie chirale. Il fut néanmoins observé que le développement en séries chirales de quelques observables hadroniques sont numériquement “malades” dans le cadre de la théorie à trois saveurs. En effet, des travaux antérieurs montrent qu'il pourrait exister une possible compétition numérique entre l'Ordre Dominant (LO) et l'Ordre Sous-Dominant (NLO): en place de la hiérarchie usuelle LO>>NLO, l'équivalence LO~NLO prévalerait. La partie principale de la thèse consiste ainsi à la description et l'utilisation d'une version alternative de ChiPT, nommée Théorie Chirale des Perturbations Ressommée (ReChiPT ). Quelques observables hadroniques de basse energie sont calculées puis étudiées dans ce cadre “ressommé”, puis nous procédons à l'ajustement de certaines données de QCD sur réseau obtenues par des simulations à 2+1 quarks dynamiques sur ces observables exprimées en ReChiPT: les constantes de désintégrations et les masses de l'octet (π, K, η), ainsi que les facteurs de forme Kl3. Nous testons ensuite la validité de notre assertion concernant la possible compétition numérique observée dans les séries chirales. Enfin, dans la dernière partie, nous discutons plusieurs aspects analytiques et numériques concernant certaines quantités topologiques liées de manière intrinsèque à la très complexe structure du vide de QCD, dans le cadre de ChiPT (ressommé), et nous confrontons de nouveau cette étude à des données réseau 2+1. / In this thesis, we focus on some aspects concerning hadronic phenomena at low energy, below 1 GeV, under which the spontaneous breaking of chiral symmetry takes place. Under this scale, the spectrum of Quantum Chromodynamics reduces to an octet of light pseudo-scalar mesons (π, K and η). But because of the confinement property, QCD under 1 GeV is highly non-perturbative, it is thus not possible to describe at low energy the dynamics of these mesons in terms of gluons and quarks (in that case the three light quarks u,d, and s). Two main alternatives exist to circumvent this major obstacle: Lattice QCD and Effective Field Theories. Lattice QCD is concerned with the numerical computations of various hadronic observables, while Effective Field Theories correspond to analytical frameworks adapted to a particular energy scale. In the case of QCD at low energy, this role is devoted to Chiral Perturbation Theory (ChiPT). This theory can be built either from two quark flavours (u and d), or three (u,d, and s). Using the numerical results from Lattice QCD, it is possible to obtain numerical values for the unknown parameters that ChPT contains. It was however observed that the series expansions of hadronic observables stemming from ChiPT calculations do not “behave well” numerically in the three-flavour case. Indeed, previous works shown that there could exists at the numerical level a competition between the Leading and the Next-to- Leading order (LO and NLO); i.e., instead of the usually expected hierarchy LO>>NLO, one would have LO~NLO. The main part of the thesis work consists in the description and the use of a modified version of ChiPT allowing this numerical competition in the chiral series that was called “Resummed ChiPT”. Within this “Resummed” framework, we proceed to fitting data from 2+1 lattice calculations to hadronic observables computed in ChiPT: decay constants and masses of π, K and η, and Kl3 form factors, and check the consistency of our claim about the numerical competition in ChiPT expansions. In the last part, we discuss topological quantities that are intrinsically tied to the very complex structure of the QCD vacuum, in the (resummed) ChiPT framework and in the light of 2+1 lattice data, in their analytical and numerical aspects.

Für verschiedene Richtgrößen, die untersucht werden, um Hinweise auf Neue Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik zu finden, stellt die Gitter-QCD stellt derzeit den einzigen Ab-initio-Zugang für die Berechnung von nichtperturbativen hadronischen Beiträgen dar. Zu diesen Observablen gehören die anomalen magnetischen Momenten der Leptonen und das Laufen der elektroschwachen Kopplungskonstanten. Wir bestimmen den führenden QCD-Beitrag zum anomalen magnetischen Moment des Myons mit Hilfe einer Gitter-QCD-Rechnung auf Ensemblen, die Nf=2+1+1 dynamische Twisted-Mass-Fermionen berücksichtigen. Durch die Betrachtung aktiver up, down, strange and charm Quarks können erstmalig Gitter-QCD-Daten für die Myonanomalie direkt mit phänomenologischen Resultaten verglichen werden, da letztere bei der derzeitigen Genauigkeit sensitiv auf die ersten beiden Quarkgenerationen sind. Unlängst wurde darauf hingewiesen, dass es auch möglich sein könnte Beiträge Neuer Physik durch verbesserte Messungen der anomalen magnetischen Momente des Elektrons und des Tauons nachzuweisen. Aus diesem Grund berechnen wir auch deren führende QCD-Beiträge, was gleichzeitig eine Überprüfung des Wertes für das Myon liefert. Zusätzlich nutzen wir die gewonnenen Daten, um den führenden hadronischen Beitrag zum Laufen der Feinstrukturkonstante zu berechnen. Darüber hinaus zeigen wir, dass sogar für den schwachen Mischungswinkel der führende QCD-Beitrag mit Hilfe dieser Daten berechnet werden kann. Dadurch identifizieren wir eine neue grundlegende Observable für die Suche nach Neuer Physik, deren hadronische Beiträge mit Hilfe der Gitter-QCD beschafft werden können. Mit den Resultaten dieser Arbeit ist es uns gelungen ungeeignete Herangehensweisen der phänomenologisch notwendigen Flavourseparation auszuschließen und somit direkt die derzeit präziseren phänomenologischen Bestimmungen dieser bedeutsamen physikalischen Größe zu unterstützen. / For several benchmark quantities investigated to detect signs for new physics beyond the standard model of elementary particle physics, lattice QCD currently constitutes the only ab initio approach available at small momentum transfers for the computation of non-perturbative hadronic contributions. Among those observables are the lepton anomalous magnetic moments and the running of the electroweak coupling constants. We compute the leading QCD contribution to the muon anomalous magnetic moment by performing lattice QCD calculations on ensembles incorporating Nf=2+1+1 dynamical twisted mass fermions. Considering active up, down, strange, and charm quarks, admits for the first time a direct comparison of the lattice data for the muon anomaly with phenomenological results because both the latter as well as the experimentally obtained values are sensitive to the complete first two generations of quarks at the current level of precision. Recently, it has been noted that improved measurements of the electron and tau anomalous magnetic moments might also provide ways of detecting new physics contributions. Therefore, we also compute their leading QCD contributions, which simultaneously serve as cross-checks of the value obtained for the muon. Additionally, we utilise the obtained data to compute the leading hadronic contribution to the running of the fine structure constant, which enters all perturbative QED calculations. Furthermore, we show that even for the weak mixing angle the leading QCD contribution can be computed from this data. In this way, we identify a new prime observable in the search for new physics whose hadronic contributions can be obtained from lattice QCD. With the results obtained in this thesis, we are able to exclude unsuitable phenomenologically necessary flavour separations and thus directly assist the presently more precise phenomenological determinations of this eminent quantity.