This work is included in a broader research of the hadron theory group of Uppsala University and its collaborators tackling the quest for an understanding of the quark distribution inside hadrons by joining threedifferent approaches of QCD namely chiral perturbation theory, dispersion theory and lattice QCD. This thesis contributes by computing in chiral perturbation theory, the quark-masses dependence of form factors. The next-to-next-to-Leading order (NNLO) contribution to the form factors is calculated from one-loop diagrams which brings hadron-masses dependences. The hadron masses are themselves dependent on quark masses. Consequently, the quark-mass dependence of the hadron masses is also addressed in this thesis.The studied process Ω− → W−Ξ0 possesses too many one-loop diagrams to be treated entirely here. This work focuses on the axial-vector sector and more specifically the part coming from the diagrams linear in the low-energy constant hA (see figure 2).To do so, Mathematica and specifically the packages FeynCalc, FeynHelpers and Package X are used. Vector transition form factors at NNLO are presented in the thesis of my colleague Magnus Bertilsson.The present thesis demonstrates that the calculational framework is feasible and paves the way for a complete NNLO calculation.

In gaming, the market is increasingly emphasizing "natural" interaction techniques, introducing a wide range of external devices. The high price of many external devices reduced its popularity. However, smartphone as another widely available product, I wanted to use sensors of the smartphone to simulate "natural" interaction techniques and explore the changes and influence it had on players as opposed to traditional keyboard input in order to understand its value as an intermediary between traditional input methods and unique external devices. In this study, I developed a racing game that uses the button and tilt input via the phone to simulate a steering wheel. Also, I studied the participants’ gaming data and experiences during the experiment. My experiments found that the tilt input outperformed the keyboard input, especially for participants with less than five years of gaming experience. Furthermore, the tilt input gave players an immersive and varied gaming experience. I offered four hypotheses to explain my findings and suggested that game designers refer to them. / På spelmarknaden betonas i allt högre grad "naturliga" interaktionstekniker, vilket innebär att ett brett utbud av externa enheter introduceras. Det höga priset på många externa enheter har minskat deras popularitet. Jag ville dock använda smartphones som en annan allmänt tillgänglig produkt, och jag ville använda smartphonesensorer för att simulera "naturliga" interaktionstekniker och utforska vilka förändringar och vilket inflytande de hade på spelarna jämfört med traditionell tangentbordsinmatning, för att förstå dess värde som en mellanhand mellan traditionella inmatningsmetoder och unika externa anordningar. I den här studien utvecklade jag ett racingspel som använder knapp- och lutningsinmatning via telefonen för att simulera en ratt. Dessutom studerade jag deltagarnas speldata och upplevelser under experimentet. Mina experiment visade att tilt-inmatningen överträffade tangentbordsinmatningen, särskilt för deltagare med mindre än fem års spelvana. Dessutom gav lutningsinmatningen spelarna en uppslukande och varierad spelupplevelse. Jag erbjöd fyra hypoteser för att förklara mina resultat och föreslog att speldesigners ska hänvisa till dem.

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La Chromodynamique Quantique (QCD) sur réseau permet d'étudier de façon ab-initio et non-perturbative les processus d'interaction forte. Ce formalisme, qui permet une régularisation covariante de la théorie de l'interaction forte, fournit aussi un cadre naturel pour le calcul et la simulation numérique de la Chromodynamique Quantique. Dans cette thèse, après un tour d'horizon des principales propriétés de la QCD et une présentation détaillée de notre discrétisation de cette théorie sur un réseau, nous étudions de façon approfondie deux problèmes de physique hadronique : le phénomène de diffusion résonante et la structure du nucléon. Les calculs sont réalisés avec les configurations de jauge de la Collaboration Budapest-Marseille-Wuppertal, générées avec une action de Wilson améliorée avec 2+1 saveurs de quarks dynamiques. Elles couvrent une large gamme de pas de réseau, de volumes et de masses des quarks différents, permettant ainsi une étude fine de la sensibilité de nos résultats à ces paramètres, et fournissant un bon contrôle sur l'extrapolation au continu. Notre étude de la diffusion de particules sur le réseau est menée grâce à une méthode proposée par M. Lüscher. Nous avons choisi le cas particulier de la diffusion pion-pion dans le canal résonant du méson rho, et analysé nos données avec une méthode variationnelle aux valeurs propres généralisées. Nous présentons les déphasages pion-pion ainsi que les paramètres de la résonance obtenus de façon détaillée, tout en garantissant un bon contrôle de nos erreurs systématiques. Nos résultats apportent une avancée importante dans le panorama des études de diffusion sur le réseau car ce sont les premiers réalisés à la masse physique du pion, pour laquelle la désintégration du rho en deux pions peut effectivement avoir lieu. Les valeurs obtenues pour les paramètres de la résonance du méson rho sont accord avec l'expérience, et confirment la faible dépendance du couplage entre le rho et les deux pions à la masse du pion. L'exploration de la structure du nucléon se fait à travers un calcul complet des facteurs de forme électrofaibles isovectoriels, avec une étude approfondie du rayon de charge électrique et de la charge axiale. Notre analyse présente aussi des données à la masse physique du pion, ce qui s'avère crucial pour maîtriser les extrapolations au point physique, étant données les variations violentes prédites par la perturbation chirale de ces quantités. Notre calcul utilise une projection sur les états du nucléon à la source et au puits, et une méthode de fit combinant les fonctions de corrélation à deux et trois points afin de réduire et de contrôler au maximum les contaminations pouvant venir des états excités. Bien que davantage de données seraient nécessaires pour déterminer très précisément le rayon et la charge axiale au point physique avec une évaluation pertinente des erreurs systématiques, les valeurs que nous obtenons sont en bon accord avec l'expérience, et suggèrent que les effets dus aux états excités sont faibles et sous contrôle. Notre analyse souligne aussi que l'utilisation de configurations de jauge avec des masses de pion proches de la valeur physique et avec des grands volumes semble indispensable à une étude précise de la structure du nucléon sur réseau. / The formalism of Quantum Chromodynamics on the lattice (or Lattice QCD) allows to perform ab-initio non-perturbative studies of strong-interaction driven processes, as it provides both a covariant regularisation of the theory of QCD and a natural framework for numerical computations. In this work, after a review of the main features of QCD and a step-by-step presentation of our discretization of QCD on a lattice, we undertake detailed studies of two problems of hadronic physics: the phenomenon of resonant scattering and the structure of the nucleon. The lattice calculations are performed with the Budapest-Marseille-Wuppertal Collaboration's 2+1-flavour gauge configurations, which give access to a wide range of lattice spacings, volumes and quarks masses, thereby allowing to study the sensibility of our results on these parameters, and to perform a complete continuum extrapolation. These configurations include dynamical quarks, and use a clover-improved Wilson QCD action. To investigate the scattering of particles on the lattice, we set up a Lüscher analysis for the emblematic case of pion-pion scattering in the channel of the rho meson resonance. We analyse our data with a variational generalized eigenvalue method, and give an in-depth calculation of the scattering phase-shifts and the corresponding resonance parameters, with a full control of the systematic errors. Our results provide an important step for lattice studies of scattering states, as they are the first to be performed at the physical pion mass, where one can see the actual decay of the rho into two pions. The obtained rho meson parameters are in good agreement with the experimental values, and consistent with a weak pion mass dependence of the coupling between the rho and two pions. As for our probe of the structure of the nucleon, we present a complete extraction of the electroweak isovector form factors, with a comprehensive study of the electric charge squared radius and of the axial charge. Our analysis also feature data at the physical pion mass, which turns out to be crucial in order to perform safe extrapolations to the physical point, as the chiral perturbation theory predicts violent variations of these quantities near the massless-quarks point. Our calculation includes source and sink projections onto the nucleon state, as well as a combined fit method between the two-point and three-point correlation functions to control the contamination of our data by excited states. Although one would need more data to perform a high-accuracy determination of the nucleon radius and axial charge at the physical point with a relevant estimation of the systematic errors, the results we obtain are in good agreement with the experiment and suggest that the excited-state effects are under control. Our analysis also highlights that gauge configurations ensembles near the physical pion mass and with large volumes must be used in order to extract accurate information about the nucleon structure from lattice calculations.

Im ersten Teil dieser Dissertation untersuchen wir Formfaktoren von allgemeinen eichinvarianten lokalen zusammengesetzten Operatoren in der N=4 Super-Yang-Mills-Theorie bei verschiedenen Schleifenordnungen und Anzahlen externer Felder. Wir zeigen, wie Masseschalen-Methoden zu ihrer Berechnung genutzt werden können, und extrahieren aus ihnen insbesondere den Dilatationsoperator. Wir untersuchen auch die Eigenschaften der zugehörigen Rückstandsfunktionen. Des Weiteren verallgemeinern wir Masseschalen-Diagramme, Graßmann-Integrale und die integrabilitätsinspirierte Technik der R-Operatoren zur Anwendung auf Formfaktoren, wobei wir uns auf das Beispiel des chiralen Teils des Energie-Impuls-Tensors konzentrieren. Im zweiten Teil untersuchen wir die Beta- und die Gamma-i-Deformation. Bei diesen handelt es sich um die allgemeinste supersymmetrische beziehungsweise nicht-supersymmetrische feldtheoretische Deformation von N=4 Super-Yang-Mills-Theorie, welche auf der Ebene des asymptotischen Bethe-Ansatzes integrabel sind. Hierbei tritt ein neuer Effekt der endlichen Systemgröße auf, der durch Doppelspurstrukturen in der deformierten Lagrange-Dichte hervorgerufen wird und den wir Vorwickeln nennen. Während die Beta-Deformation für sich an ihren nicht-verschwindenden IR-Fixpunkten befindliche Doppelspurkopplungen konform invariant ist, weist die Gamma-i-Deformation rennende Doppelspurkopplungen ohne Fixpunkte auf, was die konforme Invarianz selbst im planaren Limes bricht. Nichtsdestotrotz erlaubt die Gamma-i-Deformation hochgradig nicht-triviale Tests der Integrabilität bei beliebig hohen Schleifenordnungen. / In the first part of this thesis, we study form factors of general gauge-invariant local composite operators in N=4 super Yang-Mills theory at various loop orders and for various numbers of external legs. We show how to use on-shell methods for their calculation and in particular extract the dilatation operator from the result. We also investigate the properties of the corresponding remainder functions. Moreover, we extend on-shell diagrams, a Graßmannian integral formulation and an integrability-based construction via R-operators to form factors, focussing on the chiral part of the stress-tensor supermultiplet as an example. In the second part, we study the beta- and the gamma-i-deformation, which were respectively shown to be the most general supersymmetric and non-supersymmetric field-theory deformations of N=4 super Yang-Mills theory that are integrable at the level of the asymptotic Bethe ansatz. For these theories, a new kind of finite-size effect occurs, which we call prewrapping and which emerges from double-trace structures that are required in the deformed Lagrangians. While the beta-deformation is conformal when the double-trace couplings are at their non-trivial IR fixed points, the gamma-i-deformation has running double-trace couplings without fixed points, which break conformal invariance even in the planar theory. Nevertheless, the gamma-i-deformation allows for highly non-trivial field-theoretic tests of integrability at arbitrarily high loop orders.

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''.

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The proton is a bound state of quarks which are held together by the strong force, mediated by gluons. The understanding of the proton structure is presently one of the central issues in hadron physics. The present work reports on phenomenological and experimental studies related to the possibilities offered by the future antiproton beam at the FAIR facility at Darmstadt, in the momentum range between 1.5 and 15 GeV/c. After a classification of the reaction channels which are accessible in antiproton-proton annihilation, the main features of the PANDA detector are described. A chapter of this thesis is dedicated to the study of the optical coupling between crystals and photodiodes in the electromagnetic calorimeter, which will be operated at low temperature (-25° C). Mechanical, thermal, optical properties and radiation hardness of two commercial glues are quantified.Feasibility studies of the reaction barp → e+e− for the Time-Like proton form factor measurements at PANDA are presented. The electromagnetic structure of the proton is parametrized in terms of electric GE and magnetic GM form factors. The electromagnetic interaction is well described by the theory of quantum electrodynamics. The traditional tool to determine proton electromagnetic form factors is polarized and unpolarized electron-proton elastic scattering, assuming that the interaction occurs through the exchange of one virtual photon. The crossed symmetry channels pbarp ↔ e+e− allowto access the Time-Like region. The background reactions are also studied, in particular the pbarp → π+π− channel. The results obtained from a realistic Monte Carlo simulation using PANDARoot show that the proton form factor ratio can be measured at PANDA with unprecedented accuracy. The effects of radiative corrections due to real and virtual photon emission are considered.Based on a model independent formalism, the calculation of the experimental observables for the pbarp → e+e− reaction is extended to the annihilation into a heavy lepton pair which carries the same physical information on the proton structure as the electrons. In this case, the lepton mass can not be neglected. The same formalism is also applied in Space-Like region to the elastic scattering of protons from electrons at rest (pe-inverse kinematics). We suggest that the elastic pe scattering can be used to polarize and/or to measure the polarization of high energy proton (antiproton) beams, and allows a precise measurement of the proton charge radius.

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.

Diese Arbeit untersucht die N = 4 super-Yang-Mills-Theorie bei schwacher Kopplung, mit dem Ziel eines tieferen Verständnisses von Größen der Theorie als Zustände des integrablen Modells dass der planaren Theorie zu Grunde liegt. Wir leiten On-Shell-Diagramme für Formfaktoren des chiralen Energie-Impuls-Tensor-Multipletts aus der BCFW-Rekursion her, und untersuchen deren Eigenschaften. Dies erlaubt die Herleitung eines Graßmannschen Integrals. Für NMHV-Formfaktoren bestimmen wir die Integrationskontur. Dies erlaubt es das Integral mit einer Twistor-String-Formulierung in Beziehung zu setzen. Mit Hilfe dieser Methoden zeigen wir dass Formfaktoren des chiralen Energie-Impuls-Tensor-Multipletts und On-Shell-Funktionen mit Einfügungen beliebiger Operatoren Eigenzustände integrabler Transfermatrizen sind. Diese Identitäten verallgemeinern die Yangsche Invarianz der On-Shell-Funktionen von Amplituden. Wir zeigen weiterhin dass ein Teil der Yangschen Symmetrien erhalten bleibt. Wir erweitern unsere Untersuchung auf nichtplanare On-Shell-Funktionen und zeigen dass sie ebenfalls solche Symmetrien besitzen. Weitere Identitäten mit Transfermatrizen werden hergeleitet, und zeigen insbesondere dass Diagramme auf Zylindern als Intertwiner fungieren. Als Schritt hin zur Berechnung der Eigenzustände des integrablen Modells zu höheren Schleifenordnungen untersuchen wir Einspuroperatoren. Hier erlaubt die Quantum Spectral Curve die nichtperturbative Berechnung ihres Spektrums, liefert jedoch keine Information zu den Zustände. Die QSC kann als Q-System verstanden werden, welches durch Baxter Q-Operatoren formulierbar sein sollte. Um darauf hinzuarbeiten untersuchen wir die Q-Operatoren nichtkompakter Superspinketten und entwickeln ein effiziente Methode zur Berechnung ihrer Matrixelemente. Dies erlaubt es das gesamte Q-System durch Matrizen für jeden Anregungssektor zu realisieren, und liefert die Grundlage für perturbative Rechnungungen mit der QSC in Operatorform. / This thesis investigates weakly coupled N = 4 super Yang-Mills theory, aiming at a better understanding of various quantities as states of the integrable model underlying the planar theory. We use the BCFW recursion relations to develop on-shell diagrams for form factors of the chiral stress-tensor multiplet, and investigate their properties. The diagrams allow to derive a Graßmannian integral for these form factors. We devise the contour of this integral for NMHV form factors, and use this knowledge to relate the integral to a twistor string formulation. Based on these methods, we show that both form factors of the chiral stress-tensor multiplet as well as on-shell functions with insertions of arbitrary operators are eigenstates of integrable transfer matrices. These identities can be seen as symmetries generalizing the Yangian invariance of amplitude on-shell functions. In addition, a part of these Yangian symmetries are unbroken. We furthermore consider nonplanar on-shell functions and prove that they exhibit a partial Yangian invariance. We also derive identities with transfer matrices, and show that on-shell diagrams on cylinders can be understood as intertwiners. To make progress towards the calculation of the higher loop eigenstates of the integrable model, we consider single trace operators, for which the Quantum Spectral Curve determines their spectrum non-perturbatively. This formulation however carries no information about the states. The QSC is an algebraic Q-system, for which an operatorial form in terms of Baxter Q-operators should exist. To initiate the development such a formulation we investigate the Q-operators of non-compact super spin chains and devise efficient methods to evaluate their matrix elements. This allows to obtain the entire Q-system in terms of matrices for each magnon sector. These can be used as input data for perturbative calculations using the QSC in operatorial form.