Title: Measurement of the B0 d meson lifetime at ATLAS detector Author: Pavel Řezníček Department: Institute of Particle and Nuclear Physics Supervisor of the doctoral thesis: Dr. Zdeněk Doležal Supervisor's e-mail address: Zdenek.Dolezal@mff.cuni.cz Abstract: The lifetime of B0 d mesons is determined from their decays B0 d → J/ψK∗0 reconstructed in ATLAS experiment at the LHC using pp collision data at a center-of-mass energy of 7 TeV and corresponding to integrated luminosity of 40 pb−1 . The lifetime, extracted from the simultaneous unbinned maximum likelihood mass-lifetime fit, is 1.51±0.04 (stat.)±0.04 (syst.) ps. A total number of 2750±90 (stat.) signal B0 d decays are observed in the measurement, with a fit- ted B0 d mass of 5363.7 ± 1.2 (stat.) MeV. Both the extracted B0 d meson mass and lifetime are within the determined errors consistent with the world average values. Although the achieved precision is still significantly lower than the one of the world average value, the measurement successfully tested the feasibility of the fit-method and allowed to cross-check ATLAS detector performance. Keywords: CERN, LHC, ATLAS, B-physics, B-hadron, Lifetime

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.

In this thesis, the clean angular observables in the $\bar{B} \to D^{*+} \ell^- \bar{\nu}_{\ell}$ angular distribution is studied. Similar angular observables are widely studied in $B \to K^* \mu^+ \mu^-$ decays. We believed that these angular observables may have different sensitivities to different new physics structures.

For more than 30 years the Standard Model has been the theoretical foundation for particle physics. The theory has been verified successfully by experimental tests. Its biggest shortcoming is the non-discovery of the Higgs boson,responsible for giving the other particles masses. Despite its success there are hints that the Standard Model is not the complete theory and many extensions of it, such as supersymmetry, have been proposed. Extended theories often predict the existence of a charged Higgs boson and its detection will be a clear sign of physics beyond the Standard Model. The main focus in this thesis is on various phenomenological aspects of the charged Higgs boson. For favorable mass and couplings direct detection is shown to be possible at the Large Hadron Collider in production with an associated W boson. It is also shown how a light charged Higgs can have measurable effects on spin correlations in decays of pair-produced top quarks. The charged Higgs boson can also be seen indirectly, in for example B-meson decays, which can be used to put constraints on its mass and fermion couplings. Exclusion limits in two supersymmetric models are given together with a comparison with the discovery potentials for the LHC experiments. A tool for calculating properties, such as masses and decays, of both charged and neutral Higgs bosons in the Two-Higgs-Doublet Model is also presented. B-meson decays can also be used to test aspects of the strong interaction. Part of this thesis deals with improving and applying phenomenological models to B-meson decays. Although these models are not derived from first principles, their success shows that they capture important features of non-perturbative strong interactions.

Les courants neutres changeant la saveur b -> sl⁺l⁻ ne sont autorisés dans le Modèle Standard (MS) qu'au niveau des boucles.Par conséquent, ils sont sensibles aux éventuels effets de la Nouvelle Physique (NP) au-delà du MS.Dans le MS, les transitions b -> se⁺e⁻ et b -> sμ⁺μ⁻ ont la même probabilité, cette propriété est appelée l'universalité du couplage aux leptons (UL).Tester l'UL dans les désintégrations de hadrons beaux a récemment été un domaine prometteur pour les recherches de NP. Des tensions par rapport aux prédictions du MS, de l'ordre de 2,5 déviations standards, ont été observées dans les désintégrations rares B -> K(*) l⁺l ⁻. À ce jour, les tests de l'UL ont été effectués uniquement sur des désintégrations de mesons beaux.Cette thèse présente un premier test de la UL dans la désintégration rare du baryon Lambdab -> pK l⁺l⁻ , en utilisant les données collectées par l'expérience LHCb au CERN en 2011, 2012 et 2016. La sensibilité statistique attendue est d'environ 15%, tandis que la valeur centrale reste aveuglée.La première mesure du rapport de branchement de la désintégration Lambdab -> pKμ⁺μ⁻ est effectuée avec une précision statistique de 5,3%.En outre, cette thèse présente la première observation de la désintégration Lambdab -> pKe⁺e ⁻ , ainsi que la mesure de son rapport de branchement.Enfin, la désintégration Xib0 -> pKJ/ψ est observée et étudiée pour la première fois. / Flavor-changing neutral-current b ->sl⁺l⁻ transitions are forbidden at tree level in the Standard Model (SM), and can only occur at loop level. Therefore, they are sensitive to possible New Physics (NP) effects beyond the SM. In the SM, the transitions b ->se⁺e⁻ and b -> sμ⁺μ⁻ have the same probability to happen, this property is called lepton universality (LU). Probing LU in b-hadron decays has been recently a promising area for NP searches. Tensions with respect to the SM predictions at the level of about 2.5 standard deviations have been observed in rare B -> K(*)l⁺l ⁻ decays. To date, tests of LU have been performed only in decays of b-mesons.This thesis presents a first test of the LU in rare b-baryon decays Lambdab -> pK l⁺l⁻ using the data collected by the LHCb experiment at CERN, during 2011, 2012 and 2016 data-taking periods. The expected statistical sensitivity is about 15%, while the central value remains blind at the moment. The first measurement of the branching fraction of the decay Lambdab -> pKμ⁺μ⁻ is performed with the statistical precision of 5.3%.In addition, this thesis presents the first observation of the Lambdab -> pKe⁺e ⁻ decay, and the measurement of its branching fraction.Finally, a suppressed decay Xib0 -> pKJ/ψ is observed and studied for the first time.

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.

L'étude de l'universalité de la saveur des leptons est actuellement un sujet prometteur pour tester la présence de contributions de nouvelle physique dans des processus décrits par le Modèle Standard. Les mesures de désintégrations semitauoniques sont particulièrement intéressantes car de possibles couplages de nouvelle physique au lepton τ pourraient être accrus par rapport aux deux autres leptons du fait de sa masse. Les mesures expérimentales des rapports de branchement des désintégrations B->D*τν et B->Dτν sont présentement en tension avec les prédictions théoriques à la hauteur de 3.78σ. De nouvelles mesures ainsi que l'étude de nouveaux canaux sont ainsi indispensables pour comprendre l'origine de ce désaccord. Le travail présenté dans cette thèse décrit l'utilisation d'une nouvelle technique pour reconstruire le lepton τ via sa désintégration en trois pions et son usage pour mesurer des rapports de rapports de branchements pour deux désintégrations B->D*τν et Λb->Λcτν par rapport aux mêmes désintégrations impliquant des muons. Ces rapports sont respectivement dénommés R(D*) et R(Λc). R(D*) est mesuré en utilisant les 3 fb⁻¹ de collisions proton-proton collectées par le détecteur LHCb pendant le Run1 du LHC à une énergie dans le centre de masse de 7 et 8 TeV via la reconstruction du τ en trois pions. Le résultat obtenu R(D*⁻) = 0.291 ± 0.019(stat) ± 0.026(syst) ± 0.013(ext) est compatible avec la prédiction du Modèle Standard à 1σ près tout en étant cohérent avec les mesures précédemment effectuées. Sa précision permet aussi de conforter le désaccord entre la combinaison des mesures et la prédiction théorique. Ces mêmes données sont aussi analysées dans cette thèse afin d'étudier la désintégration Λb->Λcτν observée pour la première fois avec une significance de 5.7σ. Les incertitudes statistiques et systématiques sont aussi estimées et R(Λc) peut s'écrire R(Λc) = X*(1 ± 0.105(stat) ± 0.162(syst) ± 0.12(ext)) avec la valeur centrale encore masquée à ce jour. / Probing Lepton Flavour Universality has been recently a very promising topic to test for the presence of New Physics contributions in Standard Model processes. Measurements involving semitauonic decays are interesting as potential New Physics couplings to the τ-lepton could be enhanced with respect to the two other leptons due to its mass. Experimental measurements of B->D*τν and B->Dτν branching fractions are currently in tension with theoretical predictions at the 3.78σ level. Both precise measurements and analyses of new channels are thus required to understand the source of this disagreement. The work presented in this thesis describes the use of a new technique to reconstruct τ-lepton using its decay into three pions and its use to measure ratios of branching fractions for two decays B->D*τν and Λb->Λcτν with respect to the same decays involving a muon, these ratios are referred to as R(D*) and R(Λc). Using the 3 fb⁻¹ of proton-proton collisions recorded by the LHCb detector during the LHC Run1 at a centre-of-mass energy of 7 and 8 TeV, R(D*) was measured using the three-pions reconstruction for the τ to be R(D*⁻) = 0.291 ± 0.019(stat) ± 0.026(syst) ± 0.013(ext) This result is compatible with the Standard Model expectation at the 1σ level and is consistent with previous measurements. Its precision is able to slightly enforce the disagreement between the combination of the measurements with the theoretical prediction. The same dataset is also analysed in this thesis to study the Λb->Λcτν decay which is observed for the first time with a significance of 5.7σ. Both statistical and systematic uncertainties were estimated and R(Λc) can then be expressed as R(Λc) = X*(1 ± 0.105(stat) ± 0.162(syst) ± 0.12(ext)) with its central value remaining blind at the moment.

Ce mémoire présente l’application de la méthode de décomposition en termes de diagrammes aux désintégrations de mésons B vers trois mésons de type pseudos- calaire ne comportant pas de quarks charmés. La décomposition diagrammatique des désintégrations de types B → Kππ, B → KKK ̄, B → KK ̄π et B → πππ est effectuée de façon systématique. Il est démontré que lorsque l’on néglige les dia- grammes d’échanges et d’annihilations, dont les contributions sont estimées être petites, de nouvelles relations apparaissent entre les amplitudes. Ces relations sont de nouveaux tests du modèle standard qui ne peuvent être obtenus que par la méthode diagrammatique. Lorsque les données nécessaires sont disponibles, nous vérifions ces relations et obtenons un bon accord avec les données expérimentales. Nous démontrons également qu’il est possible d’utiliser le secteur B → Kππ pour mesurer la phase faible γ avec une incertitude théorique que nous estimons être de l’ordre de 5%. Les autres secteurs de désintégrations ne permettent d’extraire des phases faibles que si l’on invoque des approximations de précisions inconnues. / This Master’s thesis presents the application of the method of decomposition in terms of diagrams to the charmless decays of B mesons to three pseudoscalar particles. We systematically apply the diagrammatic method to the decays B → Kππ, B → KKK ̄, B → KK ̄π and B → πππ. It is shown that when we neglect exchange and annihilation diagrams, whose contributions have been estimated to be small, new relations appear between the decay amplitudes. These relations constitute new tests of the standard model that can only be obtained through the diagrammatic method. When the necessary data is available, we verify these relations and obtain a good agreement with the experimental results. We also show that it is possible use observables in the B → Kππ sector to measure the weak phase γ with a theoretical uncertainty of the order of 5%. Other decay sectors can only allow the extraction of weak phases through the use of approximations of unknown precision.

Dans cette thèse nous présentons la conception, l'étude des performances et les premiers tests, effectues au Cosmic Muon Telescope situe au SLAC, d'un nouveau détecteur d'identification des particules émises dans la région ''avant'' du détecteur SuperB.Ce détecteur est base une technique de temps de vol (TOF). Pour identifier les particules avec une impulsion jusqu'à 3GeV/c et une distance de vol de l'ordre de deux mètres nous avons besoin d'un détecteur TOF capable de mesurer le temps avec une précision typique de 30 ps. Pour atteindre cet objectif nous avons conçu un composant pour lequel le passage d'une particule chargée produit de la lumière Cherenkov dans un ''fused silica'' (quartz) radiator qui est ensuite détectée par des photodétecteurs tres rapides et une électronique rapide dédiée. Nous l'appelons détecteur DIRC-like TOF.Les photodétecteurs HAMAMATSU SL-10 MCP-PMT ont été caractérises sur faisceau de test au LAL et la résolution en temps d'environ 37 ps a été mesurée. La nouvelle électronique 16-canaux USB WaveCatcher développée au LAL(CNRS/IN2P3) et CEA/IRFU montre un jitter de moins de 10 ps. La géometrie du détecteur a quartz a été étudiée avec une attention particulière a l'aide d'une simulation Geant4. Celle-ci montre que la meilleure géométrie permet d'atteindre une résolution en temps d'environ 90 ps par photoélectron avec au moins 10 photoélectrons détectés, donnant en moyenne la résolution totale désirée de 30 ps.Nous avons construit un prototype d'un tel composant, utilisant les barres de quartz utilisées pour l'expérience Babar et nous l'avons installe dans le Cosmic Ray Telescope au SLAC. Une résolution en temps d'environ 70~ps par photoélectron a été obtenue, en accord avec la simulation.Cette preuve de principe a convaincu la Collaboration SuperB d'adopter un tel composant comme solution de base pour l'identification des particules émises vers l'avant dans SuperB. Le point délicat, encore ouvert, est celui de la résistance de ce détecteur aux bruits de fond de la machine.Dans cette thèse nous présentons aussi les études préliminaires de différents types de bruit de fond et leur effet sur les performances du détecteur DIRC-like TOF. Le processus Bhabha radiatif est de loin la source dominante de bruit de fond. Le taux de photoélectrons de bruit de fond principalement du aux gammas d'énergie d'environ 1.4 MeV est estimée a ~480 kHz/cm^2 ce qui correspond a 2 C/cm^2 de charge d'anode integrée sur 5 ans. Le flux de neutrons traversant l'électronique de front end du détecteur DIRC-like TOF est estimée a ~10^11/cm^2/year. Ces résultats préliminaires sont rassurants. / In this thesis, we present the conception, the performances studies and the first tests in the Cosmic Muon Telescope situated at SLAC of a new detector for the particle identification in the forward region of the SuperB detector.This detector is based on time-of-flight (TOF) technique. To identify the particles with momentum up to 3 GeV/c and flight base around two meters we need a TOF detector able to measure the time with a precision of about 30 ps. To achieve this goal we have conceived a device producing Cherenkov light in a fused silica (quartz) radiator, by a charged particle, which then detected with very fast photodetectors and dedicated ultrafast electronics. We call it, the DIRC-like TOF detector.For what concern the photodetectors, the HAMAMATSU SL-10 MCP-PMT has been characterized at LAL test bunch and the time resolution of about 37 ps has been measured. The new 16-channel USB WaveCatcher electronics developed by LAL (CNRS/IN2P3) and CEA/IRFU has shown to have a jitter of less than 10 ps. The geometry of the quartz detector has been then carefully studied with Geant4 simulation. Which shows that the best detector geometry allow to reach the time resolution of about 90 ps per photoelectron with at least 10 photoelectrons detected, giving in average the desired 30 ps total time resolution.We have constructed a prototype of such device, using the quartz bars available from the Babar experiment, and we have installed it, in the SLAC Cosmic Ray Telescope. A time resolution of about 70 ps per photoelectron was obtained, in agreement with simulation.This proof-of-principle has convinced the SuperB Collaboration to adopt such a device as the baseline for the SuperB particle identification detector in the forward region. The delicate point which is still opened is the resistance of this detector to the machine background.In this thesis we also present preliminary studies of different types of background and their effect on the performances of the DIRC-like TOF detector. Radiative Bhabha process is by far the dominant source of background. The rate of the background photoelectrons caused mainly by the gammas with energy around 1.4 MeV is estimated to be ~480 kHz/cm^2 which corresponds to 2 C/cm^2 of integrated anode charge in 5 years. The neutron flux thought the DIRC-like TOF front end electronics is ~10^11/cm^2/year. These preliminary results are reassuring.

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.