Die Berechnung von Größen der QCD erfordert bei kleinen Energien nichtperturbative Methoden, da die energieabhängige Kopplungskonstante dort groß ist. Monte Carlo Simulationen der Gittereichtheorie sind dafür geeignet. Perturbative Methoden können bei großen Energien verwendet werden, da dort die Kopplungskonstante klein ist. Die ALPHA-Kollaboration hat sich zum Ziel gesetzt, den Nieder- und Hochenergiebereich der QCD in Verbindung zu setzen. Das Schrödinger-Funktional ermöglicht die Definition einer Kopplungskonstanten, deren Energieabhängigkeit nichtperturbativ mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen mit hoher numerischer Präzision bestimmt werden kann. Die Berechnung von Lambda Parametern und der allgemein bei großen Energien verwendeten Kopplungskonstante alpha-MS-bar erfordert störungstheoretische Relationen. In der vorliegenden Arbeit ist der Zwei-Loop Koeffizient der Entwicklung der Schrödinger-Funktional Kopplung in die nackte Gitterkopplung für die SU(3) Yang-Mills Theorie berechnet worden. Mit Hilfe dieses Koeffizienten kann der Lambda Parameter der QCD ohne Fermionen aus der numerisch bestimmten Kopplung mit einem im Vergleich zu dem numerischen Fehler zu vernachlässigenden systematischen Fehler bestimmt werden. Der zweite universelle Koeffizient der Callan-Symanzik beta-Funktion konnte im Rahmen dieser Arbeit in der Gitterregularisierung reproduziert werden. Der ebenfalls bestimmte Zwei-Loop Verbesserungskoeffizient vereinfacht die nichtperturbative Bestimmung von verschiedenen Größen die mit Hilfe des Schrödinger-Funktionals definiert sind. / The calculation of observables at low energies in QCD requires non-perturbative methods since the energy-dependent coupling constant is large there. Monte-Carlo simulations of lattice gauge theory are well-suited for this task. Perturbative methods can be used to determine observables at high energies, because the coupling constant is small there. The ALPHA collaboration has the aim to connect the low and high energy regimes of QCD. The Schrödinger-functional allows for the definition of a coupling constant, whose energy dependence can be determined non-perturbatively with the help of Monte-Carlo simulations of lattice gauge theory with high numerical precision. The calculation of Lambda parameters and the commonly used coupling constant alpha-MS-bare requires perturbative relations at high energies. In the present work the two-loop coefficient of the expansion of the Schrödinger-functional coupling into the bare lattice coupling of SU(3) Yang Mills theory is calculated. With the help of this coefficient the Lambda parameter of QCD without fermions can be calculated from the numerically determined coupling with systematic errors that are small compared to statistical ones. The second universal coefficient of the Callan-Symanzik beta-function is reproduced in the context of this work in the lattice regularisation. Furthermore the determined two-loop improvement coefficient can be used in the non-perturbative determination of various observables defined within the framework of the Schrödinger-functional.

Nach jahrelanger Suche hat sich bis heute Stringtheorie als einziger Kandidat einer konsistenten Quantentheorie der Gravitation herauskristallisiert. Um aus der Stringtheorie präzise Vorhersagen für unsere Niederenergiewelt zu gewinnen, ist es notwendig, das Vakuumproblem zu lösen, das heißt einen Mechanismus zu finden, der aufzeigt, in welchem Stringvakuum wir leben und warum die Natur dieses ausgewählt hat. Die Beantwortung dieser Frage benötigt nicht-perturbative Informationen.Diese wurden erst in jüngster Zeit zugänglich. Eine besondere Rolle in dieser Entwicklung spielten die sogenannten D-branes. Sie stellen mögliche nicht-perturbative Beiträge zu Stringamplituden dar. Die Identifizierung, daß D-branes einfach Objekte sind, auf denen Strings enden können, ermöglicht sie zu handhaben und zu zeigen, daß ihre Dynamik im wesentlichen durch Eichtheorien erfaßt wird. D-branes erlaubten, zahlreiche Dualit\ätssymmetrien zu etablieren, deren Haupta ussage zu sein scheint, daß alle 5 Stringtheorien sowie 11d Supergravitation nur verschiedene perturbative Limites einer fundamentalen 11d Theorie sind, T-Theorie. In dieser Arbeit habe ich mich mit einigen Anwendungen dieser Ideen beschäftigt. Die Tatsache, daß D-branes durch Super Yang-Mills Theorien beschrieben werden, erlaubt uns einen Stringhintergrund derart zu präparieren, daß wir nahezu jede Eichtheorie als relevante Niederenergiebeschreibung erhalten können. Eine besonders verbreitete Variante dieser Idee sind die sogenannten ``Hanany Witten setups'', in denen dieser Stringhintergrund nur aus flachen branes im flachen Raum besteht. Mit Hilfe dieser Technik habe ich verschiedene Dualitätssymmetrien in Feldtheorien auf Stringdualitäten zurückgeführt. Ferner ist es möglich, mit Hilfe der branes die Existenz nicht trivialer Fixpunkt Theorien in sechs Dimensionen zu beweisen und einige ihrer Eigenschaften zu analysieren. Einige dieser Fixpunkte beschreiben Phasenübergänge zwischen verschiedenen brane Hintergründen. Unter anderem läßt es sich auf diese Weise zeigen, daß es in 4 Dimensionen Übergänge zwischen chiralen und nicht chiralen Vacua gibt. Ferner wurde gezeigt, daß alle anderen Zugänge zu dem Problem, Eichtheorien in Stringtheorie einzubetten, im wesentlichen äquivalent zum HW Ansatz sind, in dem Sinn, daß die entsprechenden Stringhintergründe dual zueinander sind. Dadurch können neue Aspekte der String T-Dualität verstanden werden, so wie z.B. T-Dualitäat für brane Segmente und gebogene branes.Außerdem erlaubt uns diese Verbindung, die Phasenübergänge, die wir im HW Bild entdeckt haben, tatsächlich als Übergänge zwischen topologisch verschiedenen Stringkompaktifizierungen zu verst ehen. / In this thesis I discussed several applications of the connection of non-perturbative string theory and SYM theory. In Chapter 1 I reviewed the physics of D-branes as one example of a non-perturbative effect in string theory. Their dynamics is dominated by gauge theory. This fact can be used to engineer certain string backgrounds which yield interacting SYM theories as their low-energy description. In Chapter 2 I then introduced one of the approaches in detail, the HW setup. I gave a summary of the identification of the classical gauge theory, showed how quantum effects manifest themselves in the brane picture and how to solve them. This way of embedding gauge theories into string theories has several interesting applications. These were the topic of Chapter 3. First I discussed dualities in field theory and showed how they arise as a natural consequence of string duality. As a second application I used branes to prove the existence of non-trivial fixed point theories in 6 dimensions and to study their properties. Some of these fixed points describe phase transitions between two different brane configurations. From a 4d point of view these 6d transitions can induce a chiral non-chiral transition. In Chapter 4 I discussed the relation of the HW setup with the other approaches of embedding gauge theory into string theory, especially the branes as probes approach. The different ways of embedding gauge theories in string theory are shown to be actually T-dual as string backgrounds. For one this allowed us to explore several new aspects of T-duality, like T-duality for bended branes and branes endin g on branes. In addition this relation can be used to show that the transitions found in the brane picture can as well be understood as transitions between topologically distinct compactifications of string theory. Some open problems and directions for further research were mentioned in Chapter 5.

Quantenfeldtheorien, die auf Räumen mit nichtkommutierenden Koordinaten definiert sind, finden in den letzten Jahren zunehmend Interesse. Mögliche Anwendungen dieser Modelle gibt es unter anderem in der Stringtheorie, der Phänomenologie der Elementarteilchen und in der Festkörperphysik. In der vorliegenden Arbeit untersuchen wir nichtstörungstheoretisch solche nichtkommutativen Feldtheorien mit Hilfe von Monte-Carlo Simulationen. Wir betrachten eine zweidimensionale reine U(1) Eichfeldtheorie und eine dreidimensionale skalare Feldtheorie. Dazu bilden wir die entsprechenden Gittertheorien auf dimensional reduzierte Modelle ab, die mittels N x N Matrizen formuliert sind. Die 2d Eichtheorie auf dem Gitter ist äquivalent zum twisted Eguchi-Kawai Modell, das wir für N=25 bis 515 simulierten. Wir beobachteten ein deutliches Skalierungsverhalten der Ein- und Zweipunktfunktionen von Wilson-Schleifen sowie von Zweipunktfunktionen von Polyakov-Linien bei großen N. Die Zweipunktfunktionen stimmen mit einer universellen Wellenfunktionsrenormierung überein. Der Doppel-Skalierungslimes bei N gegen unendlich entspricht dem Kontinuumslimes in der nichtkommutativen Gittereichtheorie. Das beobachtete Skalierungsverhalten bei großen N zeigt die nichtstörungstheoretische Renormierbarkeit dieser nichtkommutativen Feldtheorie. Für kleine Flächen gilt das Flächengesetz der Wilson-Schleifen wie in der kommutativen 2d planaren Eichtheorie. Für große Flächen finden wir jedoch stattdessen ein oszillierendes Verhalten. In diesem Bereich wächst die Phase der Wilson-Schleifen linear mit der Fläche. Identifiziert man den Nichtkommutativitätsparameter mit einem inversen Magnetfeld, entspricht dies dem Aharonov-Bohm-Effekt. Als nächstes untersuchen wir das 3d lambda phi^4 Modell mit zwei nichtkommutierenden Dimensionen. Wir analysieren das Phasendiagramm. Unsere Ergebnisse stimmen mit einer Vermutung von Gubser und Sondhi in vier Dimensionen überein. Sie sagen vorher, daß sich der geordnete Bereich in eine uniforme und eine nichtuniforme Phase aufspaltet. Desweiteren zeigen wir Ergebnisse für Korrelatoren und der Dispersionsrelation. In der nichtkommutativen Feldtheorie ist die Lorentz-Symmetrie explizit gebrochen, was zu einer deformierten Dispersionsrelation führt. In der Ein-Schleifen Störungstheorie ergibt sich ein zusätzlicher infrarot divergenter Term. Unsere Daten bestätigen dieses störungstheoretische Ergebnis. Wir bestätigen ebenso eine Beobachtung von Ambjorn und Catterall, daß eine nichtuniforme Phase auch in zwei Dimensionen existiert, obwohl dies eine spontane Brechung der Translationssymmetrie impliziert. / In the recent years there is a surge of interest in quantum field theories on spaces with non-commutative coordinates. The potential applications of such models include string theory, particle phenomenology as well as solid state physics. We perform a non-perturbative study of such non-commutative field theories by the means of Monte Carlo simulations. In particular we consider a two dimensional pure U(1) gauge field theory and a three dimensional scalar field theory. To this end we map the corresponding lattice theories on dimensionally reduced models, which are formulated in terms of N x N matrices. The 2d gauge theory on the lattice is equivalent to the twisted Eguchi-Kawai model, which we simulated at N ranging from 25 to 515. We observe a clear large N scaling for the 1- and 2-point function of Wilson loops, as well as the 2-point function of Polyakov lines. The 2-point functions agree with a universal wave function renormalization. The large N double scaling limit corresponds to the continuum limit of non-commutative gauge theory, so the observed large N scaling demonstrates the non-perturbative renormalizability of this non-commutative field theory. The area law for the Wilson loops holds at small physical area as in commutative 2d planar gauge theory, but at large areas we find an oscillating behavior instead. In that regime the phase of the Wilson loop grows linearly with the area. This agrees with the Aharonov-Bohm effect in the presence of a constant magnetic field, identified with the inverse non-commutativity parameter. Next we investigate the 3d lambda phi^4 model with two non-commutative coordinates and explore its phase diagram. Our results agree with a conjecture by Gubser and Sondhi in d=4, who predicted that the ordered regime splits into a uniform phase and a phase dominated by stripe patterns. We further present results for the correlators and the dispersion relation. In non-commutative field theory the Lorentz invariance is explicitly broken, which leads to a deformation of the dispersion relation. In one loop perturbation theory this deformation involves an additional infrared divergent term. Our data agree with this perturbative result. We also confirm the recent observation by Ambjorn and Catterall that stripes occur even in d=2, although they imply the spontaneous breaking of the translation symmetry.

In dieser Arbeit wird eine systematische Methode gegeben um die Amplituden in (skalarer) Quantenelektrodynamik und nicht-Abelsche Eichtheorien in Schwinger-parametrische Form zu schreiben. Dies wird erreicht in dem der Zähler der Feynmanregeln im Impulsraum in einem Differentialoperator umgewandelt wird. Dieser Differentialoperator wirkt dann auf den parametrichen Integranden der skalaren Theorie. Für die QED ist das am einfachsten, weil die Leibnizregel hier nicht nötig ist. Im Fall der sQED und den nicht-Abelsche Eichtheorien stehen die Beiträge der Leibnizregel in Verbindung mit 4-valente Vertices. Eine andere Eigenschaft dieser Methode ist, dass mit dem hier benutzten Renormierungsschema die Subtraktionen für 1-scale Graphen signifikante Vereinfachungen verursachen. Weiterhin wurden die Ward-Identitäte für die genannten drei Theorien studiert. / In this thesis a systematic method is given for writing the amplitudes in (scalar) quantum electrodynamics and non-Abelian gauge theories in Schwinger parametric form. This is done by turning the numerator of the Feynman rules in momentum space into a differential operator. It acts then on the parametric integrand of the scalar theory. For QED it is the most straightforward, because the Leibniz rule is not involved here. In the case of sQED and non-Abelian gauge theories, the contributions from the Leibniz rule are satisfyingly related to 4-valent vertices. Another feature of this method is that in the used renormalization scheme, the subtractions for 1-scale graphs cause significant simplifications. Furthermore, the Ward identities for mentioned three theories are studied.

Streuamplituden der Quantenchromodynamik (QCD), N = 4 Super-Yang-Mills-Theorie (SYM-Theorie) und der sechsdimensionalen N = (1, 1) SYM-Theorie werden untersucht, mit einem Fokus auf die Symmetrien und Relationen zwischen den Streuamplituden dieser Eichtheorien auf dem Baum-Niveau. Die Baum-Niveau- und Ein-Schleifen-Farbzerlegung beliebiger QCD-Amplituden in primitive Amplituden wird bestimmt und Identitäten hergeleitet, welche den Nullraum unter den primitiven Amplituden aufspannen. Anschließend wird bewiesen, dass alle farbgeordneten Baum-Niveau-Amplituden der masselosen QCD aus der N = 4 SYM-Theorie erhalten werden können. Analytische Formeln für alle für die QCD relevanten N = 4 SYM-Amplituden werden bestimmt und die Effizienz und Genauigkeit der numerischen Auswertung der analytischen Formeln für farbgeordnete QCD-Baum-Niveau-Amplituden mit einer effizienten numerischen Implementierung der Berends-Giele-Rekursion verglichen. Die Symmetrien der massive Amplituden auf dem Coulomb-Zweig der N = 4 SYM-Theorie werden hergeleitet. Diese können durch eine dimensionale Reduktion der masselosen Baum-Niveau-Amplituden der sechsdimensionalen N = (1, 1) SYM-Theory erhalten werden. Darüber hinaus wird bezeigt, wie es mit Hilfe einer numerischen Implementierung der BCFW-Rekursion möglich ist analytische Formeln für die Baum-Niveau-Superamplituden der N = (1, 1) SYM-Theory zu erhalten und die Möglichkeit eines Uplifts der masselose Baum-Niveau-Amplituden der N = 4 SYM-Theory untersucht. Schließlich wird eine Alternative zur dimensionalen Regularisierung der N = 4 SYM-Theorie untersucht. Die Infrarotdivergenzen werden hierbei durch Massen regularisiert, die durch einen Higgs-Mechanismus erhalten wurden. Die korrespondierende Stringtheorie-Beschreibung deutet auf eine exakte duale konforme Symmetrie der Streuamplituden hin. Durch explizite Rechnungen wird dies bestätigt und Vorteile des Regulators werden demonstriert. / We study scattering amplitudes in quantum chromodynamics (QCD), N = 4 super Yang-Mills (SYM) theory and the six-dimensional N = (1, 1) SYM theory, focusing on the symmetries of and relations between the tree-level scattering amplitudes in these three gauge theories. We derive the tree level and one-loop color decomposition of an arbitrary QCD amplitude into primitive amplitudes. Furthermore, we derive identities spanning the null space among the primitive amplitudes. We prove that every color ordered tree amplitude of massless QCD can be obtained from gluon-gluino amplitudes of N = 4 SYM theory. Furthermore, we derive analytical formulae for all gluon-gluino amplitudes relevant for QCD. We compare the numerical efficiency and accuracy of evaluating these closed analytic formulae for color ordered QCD tree amplitudes to a numerically efficient implementation of the Berends-Giele recursion. We derive the symmetries of massive tree amplitudes on the coulomb branch of N = 4 SYM theory, which in turn can be obtained from N = (1, 1) SYM theory by dimensional reduction. Furthermore, we investigate the tree amplitudes of N = (1, 1) SYM theory and explain how analytical formulae can be obtained from a numerical implementation of the supersymmetric BCFW recursion relation and investigate a potential uplift of the massless tree amplitudes of N = 4 SYM theory. Finally we study an alternative to dimensional regularization of N = 4 SYM theory. The infrared divergences are regulated by masses obtained from a Higgs mechanism. The corresponding string theory set-up suggests that the amplitudes have an exact dual conformal symmetry. We confirm this expectation and illustrate the calculational advantages of the massive regulator by explicit calculations.