Diese Arbeit befasst sich mit dem Problem der nichtperturbativen Renormierung des Axialstroms eines leichten und eines Bottom-Quarks. Solche nichtperturbativen Berechnungen koennen nur in der Gitter-QCD durchgefuehrt werden, d. h. die kontinuierliche Raumzeit wird durch ein vierdimensionales hyperkubisches Gitter ersetzt. Da einerseits die Kantenlaenge des Gitters groesser sein muss als typische physikalische Laengenskalen des Problems, andererseits aber der durch die Gitterkonstante eingefuehrte Energie-Cutoff groesser sein muss als die Masse des b-Quarks, sind fuer dieses Problem Gittergroessen erforderlich, fuer die die heutige Computerleistung nicht ausreicht. Es ist daher sinnvoll, das B-Meson in der statischen Naeherung zu untersuchen, um dann zwischen dieser Naeherung und leichten Quarkmassen interpolieren zu koennen. Die Renormierung des Axialstroms in der statischen Naeherung ist skalenabhaengig. Um zu vermeiden, Rechnungen ueber einen grossen Energiebereich hinweg auf einem einzigen Gitter durchfuehren zu muessen, wird als Renormierungsverfahren das SF-Schema vorgeschlagen, in dem die Renormierungsskala mit der inversen Kantenlaenge des Raumzeitvolumens identifiziert wird. Das zentrale Objekt dieses Schemas ist die Step-Scaling-Funktion, die die Renormierungskonstanten bei verschiedenen Skalen miteinander in Beziehung setzt. Ein wesentlicher Punkt dieser Arbeit ist die O(a)-Verbesserung, die die Diskretisierungsfehler reduziert. Nach einer Erklaerung dieses Verfahrens fuer Eichfelder und leichte Quarks wird die statische Approximation im Kontinuum und auf dem Gitter eingefuehrt, und die in der Gittertheorie erforderlichen O(a)-Verbesserungsterme werden diskutiert. Fuer die eigentliche Renormierung werden Schroedinger-Funktional- Randbedingungen analog zum Fall leichter Quarks auch fuer die statische Approximation eingefuehrt, und die durch diese Randbedingungen notwendige zusaetzliche O(a)-Verbesserung diskutiert. Anschliessend wird durch eine Renormierungsbedingung das SF-Schema fuer den statischen Axialstrom definiert. Im weiteren Verlauf der Arbeit steht die Entwicklung geigneter Korrelationsfunktionen in der Einschleifennaeherung im Mittelpunkt. In dieser Naeherung wird zunaechst der renormierte statische Axialstrom im Gitter-MS-Schema untersucht, und seine Beziehung zum Axialstrom zweier leichter Quarks in der Stromalgebra-Normierung berechnet. Hierbei wird Uebereinstimmung mit einem Ergebnis anderer Autoren aus einer anderen Methode festgestellt. Aus diesem Ergebnis wird die endliche Renormierung zwischen dem statischen Strom im Gitter-MS-Schema und dem statischen Strom im MS-bar-Schema bestimmt. Diese Renormierungskonstante wird dann benutzt, um den Umrechnungsfaktor vom SF-Schema in das MS-bar-Schema in der Einschleifennaeherung zu berechnen. Die Zweischleifennaeherung der anomalen Dimension des statischen Axialstroms im SF-Schema wird dann durch Umrechnung aus dem MS-bar-Schema bestimmt. Diese Groesse ist vor allem deshalb wichtig, weil sie benoetigt wird, um bei Energieskalen von 10-100 GeV aus nichtperturbativ gewonnenen Ergebnissen den renormierungsgruppeninvarianten statischen Axialstrom zu berechnen. Es zeigt sich, dass der Zweischleifenwert dieser anomalen Dimension klein ist. Ein weiterer Untersuchungsgegenstand sind die Diskretisierungsfehler in der Step-Scaling-Funktion, die in der Einschleifennaeherung berechnet wurden. Sie stellen sich ebenfalls als klein heraus. Abschliessend wird der Einschleifen-Koeffizient des O(a)-Verbesserungsterms fuer den statischen Axialstrom berechnet. Hierbei ergibt sich Uebereinstimmung mit einem frueheren Ergebnis anderer Autoren. / The axial current of a light and a heavy quark is studied in the static approximation, with the aim of defining a non-perturbative renormalization scheme. To keep lattice artifacts small, O(a) improvement in the static approximation is discussed in detail. It is explained how a finite size scheme can be used to avoid the necessity of accommodating a large energy range on a single lattice in the determination of the scale dependence of the renormalized static-light axial current. To that end, Schroedinger functional boundary conditions are imposed on the static quark field, and a renormalization condition is formulated. As a central object of the SF scheme, the "step scaling function", connecting the renormalization constants at different scales, is introduced. A large part of this thesis is dedicated to the expansion of suitable correlation functions to one loop order of perturbation theory. Using these expansions, the finite renormalization constants connecting the static-light axial current in the lattice MS scheme and the light-light axial current normalized by current algebra relations is calculated at one loop order. From this result, the relation of the renormalized static-light axial current in the SF scheme to the MS-bar-renormalized static-light axial current is derived. Using that relation, the static-light axial current's two loop anomalous dimension in the SF scheme, which is needed for the calculation of the renormalization group invariant current, is calculated by conversion from the MS-bar scheme. Further studies made in this thesis are the determination of discretization errors in the step scaling function at one loop order, and the calculation of an improvement coefficient for the static-light axial current at one loop order of perturbation theory.

Diese Arbeit befasst sich mit störungstheoretischen Rechnungen zur renormierten Quarkmasse im Schrödinger-Funktional mit nicht verschwindendemHintergrundfeld. Als Grundlage der Rechnungen werden das Schroedinger-Funktional und seinegrundlegenden Eigenschaften erläutert. Auch die O(a)-Verbesserung, die zu einem schnelleren Erreichen des Kontinuumslimes fuehren soll, wird in diesem Zusammenhang dargestellt.Des weiteren wird erklärt, aufwelche Weise das Schrödinger-Funktional dazu dient, das Skalenverhaltenrenormierter Größen ueber einen grossen Energiebereich zuuntersuchen. Das Skalenverhalten sowohl der renormierten Kopplung als auchder renormierten Quarkmassen wird in diesem Schema durch Step-Scaling-Funktionenbeschrieben. Die Definition der renormierten Kopplung wird dargestellt,ebenso die Definition der renormierten Masse, die mit Hilfe derPCAC-Relation ueber den Axialvektorstrom und die Pseudoskalardichte erfolgt. Die Skalenabhängigkeit der renormierten Massewird auf die Skalenabhängigkeit der Renormierungskonstanten derPseudoskalardichte zurueckgefuehrt. Breiten Raum nimmt die Berechnung verschiedenerKorrelationsfunktionen bis zur Ein-Loop-Ordnung in Stoerungstheorie ein. Mit Hilfe der soermittelten Koeffizienten wird die kritische Quarkmasse, bei der die renormierte Masse verschwindet, in Ein-Loop-Naeherung berechnet,ebenso der Ein-Loop-Koeffizent der Renormierungskonstanten der Pseudoskalardichte. Mit Hilfe dieses Koeffizienten wird aus der bekanntenanomalen Dimension in Zwei-Loop-Ordnung im MS-bar-Schemadie anomale Dimension im Schrödinger-Funktional berechnet. Als weitere Anwendung der Störungstheorie werden verschiedene Diskretisierungsfehler bestimmt. Die kritische Quarkmasse in Ein-Loop-Ordnunggeht in den Zwei-Loop-Koeffizienten des Diskretisierungfehlers der Step-Scaling-Funktion der renormierten Kopplung ein, der durchdie Abweichung dieser Funktion von ihrem Kontinuumslimes definiert ist.Verschiedene Diskretisierungsfehler der Strommasse, die durch die PCAC-Relationmit unrenormiertem Axialvektorstrom und Pseudoskalardichte definiert ist, werdenin Ein-Loop-Ordnung berechnet. Ein wichtiger Diskretisierungsfehler derrenormierten Quarkmasse ist die Abweichung ihrer Step-Scaling-Funktion vomKontinuumslimes. Dieser Fehler ist in Ein-Loop-Ordnung bislang nur mitverschwindendem Hintergrundfeld bekannt und wird in dieser Arbeit mitnicht verschwindendem Hintergrundfeld berechnet. / The renormalised quark mass in the Schroedinger functional is studied perturbatively with a non-vanishing background field. The framework in which the calculations are done is the Schroedinger functional. Its definition and basic properties are reviewed and it is shown how to make the theory converge faster towards its continuum limit by O(a) improvement. It is explained how the Schroedinger functional scheme avoids the implications of treating a large energy range on a single lattice in order to determine the scale dependence of renormalised quantities. The description of the scale dependence by the step scaling function is introduced both for the renormalised coupling and the renormalised quark masses. The definition of the renormalised coupling in the Schroedinger functional is reviewed, and the concept of the renormalised mass being defined by the axial current and density via the PCAC-relation is explained. The running of the renormalised mass described by its step scaling function is presented as a consequence of the fact that the renormalisation constant of the axial density is scale dependent. The central part of the thesis is the expansion of several correlation functions up to 1-loop order. The expansion coefficients are used to compute the critical quark mass at which the renormalised mass vanishes, as well as the 1-loop coefficient of the renormalisation constant of the axial density. Using the result for this renormalisation constant, the 2-loop anomalous dimension is obtained by conversion from the MS-bar-scheme. Another important application of perturbation theory carried out in this thesis is the determination of discretisation errors. The critical quark mass at 1-loop order is used to compute the deviation of the coupling's step scaling function from its continuum limit at 2-loop order. Several lattice artefacts of the current quark mass, defined by the PCAC relation with the unrenormalised axial current and density, are computed at 1-loop order. An essential property of the renormalised quark mass being computed in this thesis at 1-loop order is the deviation of its step scaling function from the continuum limit, which was so far only known for the zero background field case.

Um aussagekräftige, mit dem Experiment vergleichbare Resultate aus Berechnungen der Gitter-QCD zu erhalten, ist die Extrapolation zum Kontinuum unabdingbar. Das bewährte Symanzik-Verbesserungsprogramm führt zu einer systematischen Reduzierung der Ordnung von Cutoff-Effekten, die eine bessere Kontrolle über die genannten Fehler sowie größere und damit erschwinglichere Gitterabstände ermöglicht. Auf die Wilson-Fermionenwirkung bezogen bedarf es nur des Hinzufügens des Sheikholeslami-Wohlert-Terms mit dem O(a)-Verbesserungskoeffizienten csw. In der vorliegenden Arbeit wird eine Strategie zur nicht-perturbativen Bestimmung dieses Koeffizienten in der Theorie mit Nf=3+1 massiven Seequarks entwickelt. Diese ist in ein allgemeines, massenabhängiges Renormierungs- und Verbesserungsschema eingebettet, dessen Grundlagen dargelegt werden. Die Auferlegung der Verbesserungsbedingung, bei der die PCAC-Relation im Schrödinger-Funktional Verwendung findet, geschieht entlang einer Linie konstanter Physik, welche dem Charm-Quark näherungsweise seine physikalische Masse zuordnet. Dieser vergleichsweise aufwendige Ansatz hat zum Ziel, große, massenabhängige O(a^2)-Effekte in zukünftigen Simulationen im großen Volumen mit vier dynamischen Quarkspezies zu vermeiden. Die numerischen Resultate dieser Arbeit werden unter Verwendung der tree-level-verbesserten Lüscher-Weisz-Eichwirkung gewonnen. Da die sogenannte Gradient-Flow-Kopplung bei der Definition der Linie konstanter Physik Verwendung findet, wird in einer zusätzlichen Untersuchung die Wechselbeziehung dieser Kopplung mit der Topologischen Ladung beleuchtet, insbesondere im Bezug auf die unter den Namen Critical Slowing Down und Topology Freezing bekannten Phänomene. / In order to obtain sensible results from Lattice QCD that may be compared with experiment, extrapolation to the continuum is crucial. The well-established Symanzik improvement program systematically reduces the order of cutoff effects, allowing for better control of the aforementioned errors, as well as larger and thus more affordable lattice spacings. Applied to the Wilson fermion action, it entails the addition of the Sheikholeslami–Wohlert term with the O(a) improvement coefficient csw. In this work, a strategy is developed for the non-perturbative determination of csw in the theory with Nf=3+1 massive sea quarks. It is embedded in a general, mass-dependent renormalization and improvement scheme, for which we lay the foundations. The improvement condition, formulated by means of the PCAC relation in the Schrödinger Functional, is imposed along a line of constant physics that is designed to be close to the physical mass of the charm quark. The aim of this rather elaborate approach is to avoid large, mass-dependent O(a^2) effects in future large volume simulations with four dynamical quark species. The numerical results are worked out using the tree-level improved Lüscher–Weisz gauge action. Since the gradient flow coupling is employed in the definition of the line of constant physics, its interdependence with the topological charge in regard to critical slowing down and topology freezing is investigated in a supplemental study.