Diese Doktorarbeit behandelt quantentheoretische Aspekte von Typ II Superstringtheorien in AdS5xS5- und AdS4xCP3-Hintergründen für die AdS/CFT Korrespondenz. Dabei werden perturbative Methoden und Verfahren der Gitterfeldtheorie benutzt. Die Konstruktion des Supercoset-Sigma-Modell für Strings im AdS5xS5wird skizziert, während die generelle Quantendynamik des Superstring in AdS4xCP3 mit Hilfe einer dimensionaler Reduktion der Supermembrane-Wirkung in AdS4xS7 beschrieben wird. Ein manifest kovarianter Formalismus zur semi-klassischen Quantisierung von Strings um beliebige Minimalflächen in AdS5xS5 wird präsentiert, der durch die Darstellung der Fluktuationsoperatoren in Form von intrinsischen und extrinsischen Varianten der Hintergrundgeometrie erreicht wird. Eine Verallgemeinerung der Lame-Differentialgleichung zur 4. Ordnungwird mit Hilfe der Spektralmethode exakt gelöst. Dadurch konnten in 1-Schleifennäherung die Energie des String im SU(2)-Sektor, im Grenzfall beschrieben durch ein Quantum-Landau-Lifshitz-Modell, und der bosonische Beitrag zur Energie des in AdS5 und S5 rotierenden String bestimmt werden. In ähnlicher Weise erhält man in 1-Schleifennäherung den ¼-BPS-Latitude Wilson-Loop in N=4-SYM-Theorie normiert durch den ½-BPS-Loop. Das Regularisierungsschema reproduziert die Vorhersage aus supersymmetrischer Lokalisierung bis auf einen Rest, welcher diskutiert wird. Außerdem wird die Wirkung des AdS4xCP3-String, entwickelt um den null-cusp Hintergrund, studiert und die Cusp-Anomalie in 2-Schleifennäherung berechnet. Das Ergebnis stimmt mit dem vermuteten exakten Ausdruck, der ABJM-Interpolationsfunktion, überein. Schließlich wird die AdS5xS5-Superstringtheorie in AdS-Lichtkegel-Eichung diskretisiert und mit Monte-Carlo-Algorithmen Gittersimulationen bei endlicher Kopplung durchgeführt. Dabei werden die Stringwirkung, aus der mit Hilfe von AdS/CFT die null-cusp anomale Dimension von N=4 SYM extrahiert werden kann, und die Masse einer AdS Anregung bestimmt. / This thesis discusses quantum aspects of type II superstring theories in AdS5xS5 and AdS4xCP3 backgrounds relevant for the AdS/CFT correspondence, using perturbative methods at large string tension and lattice field theory techniques inspired by a work of Roiban and McKeown. We review the construction of the supercoset sigma-model for strings in the AdS5xS5 background, whereas the general quantum dynamics of the superstring in AdS4xCP3 is described by a double dimensional reduction of the supermembrane action in AdS4xS7. We present a manifestly covariant formalism for semiclassical quantization of strings around arbitrary minimal-area surfaces in AdS5xS5, expressing the fluctuation operators in terms of intrinsic and extrinsic invariants of the background geometry. We exactly solve the spectral problem for a fourth-order generalization of the Lame'' differential equation with doubly periodic coefficients in a complex variable. This calculates the one-loop energy of the (J1,J2)-string in the SU(2) sector in the limit described by a quantum Landau-Lifshitz model and the bosonic contribution to the energy of the (S,J)-string rotating in AdS5 and S5. Similar techniques calculate the 1/4-BPS latitude Wilson loops in N=4 SYM theory at one loop, normalized to the 1/2-BPS circular loop. Our regularization scheme reproduces the next-to-leading order predicted by supersymmetric localization, up to a remainder function that we discuss upon. We also study the AdS4xCP3 string action expanded around the null cusp background and compute the cusp anomaly up to two loops. This agrees with an all-loop conjectured expression of the ABJM interpolating function. We finally discretize the AdS5xS5 superstring theory in the AdS light-cone gauge and perform lattice simulations at finite coupling with a Monte Carlo algorithm. We measure the string action, from which we extract the null cusp anomalous dimension of N=4 SYM as derived from AdS/CFT, as well as the mass of an AdS excitation.

Die Phänomenologie der pseudoskalaren Mesonen Ds und Bs sowie der Vektormesonen Ds* und Bs*, welche jeweils ein schweres und ein leichtes Quark enthalten, wurde in numerischen Simulationen von Gitter-QCD unter Vernachlässigung virtueller Fermionschleifen untersucht. Besonderer Wert wurde auf die Kontrolle und Minimierung aller systematischen Fehler innerhalb dieser Näherung gelegt. Die Zerfallskonstanten FDs und FDs* und die Massendifferenz zwischen dem Ds- und dem Ds*-Meson wurden aus der direkten Computersimulation von Gitter-QCD in großem physikalischen Volumen (L~1.5fm) bestimmt. Als Nebenprodukt konnte auch ein präziser Wert der renormierungsgruppen-invarianten Charm-Quarkmasse M_c ermittelt werden. Für die Monte-Carlo Simulationen von QCD auf dem Gitter, speziell im hier verwendeten Schrödinger Funktional, wurde eine plattformunabhängige Software entwickelt. Eine Reihe von Simulationen bei verschiedenen Gitterabständen erlaubte die Extrapolation der Ergebnisse zum Kontinuum. Da vergleichbare Simulationen für das Bs- und Bs*-Meson aufgrund der großen Masse des enthaltenen b-Quarks nicht möglich sind, wurde eine Interpolation in der Mesonmasse zu ihrem experimentell bekannten Punkt für die Zerfallskonstante und für den Wert der Massendifferenz durchgeführt. Interpoliert wurde dazu zwischen dem statischen Limes (unendliche Mesonmasse) und dem Bereich von Mesonmassen in der Größenordnung von m_Ds. Für insgesamt sechs Mesonmassen in diesem Bereich wurden die gewünschten Observablen deshalb aus Simulationen von Gitter-QCD in großem Volumen bestimmt und die Ergebnisse zum Kontinuum extrapoliert. Die Form der anschließenden Interpolation in der Mesonmasse zum statischen Limes wurde den Vorhersagen der Heavy Quark Effective Theory (HQET) entsprechend gewählt. Um diese auf QCD zu übertragen, wurden Konversionsfunktionen zwischen HQET und QCD hergeleitet und mit Hilfe von Ergebnissen aus der Störungstheorie numerisch bestimmt. Die Endergebnisse sind F_Ds = 226(7)MeV, F_Ds* = 239(18)MeV, F_Bs = 197(9)MeV, m_{Ds*}-m_{Ds} = 136(9)MeV, m_{Bs*}-m_{Bs} = 63(7)MeV und M_c = 1.60(3)GeV. Das Ergebnis für die Quarkmasse ist äquivalent zu mbar_c^MSbar(mbar_c) = 1.27(3)GeV. Aus der Analyse der so bestimmten Interpolationen ließ sich außerdem abschätzen, daß die führenden Korrekturen zum statischen Limes in der HQET relativ klein sind. Man erwartet deshalb, daß HQET im Bereich der B-Physik eine gute Näherung darstellt. / The phenomenology of the pseudo scalar mesons Ds and Bs and of the vector mesons Ds* and Bs*, each of which contain a heavy and a light quark, was investigated in simulations of quenched lattice QCD. The work was particularly focused on the minimisation of all systematic errors within this approximation. The decay constants FDs and FDs* and the difference in the masses between the pseudo scalar Ds-meson and the corresponding vector meson Ds* were determined from the direct computer simulation of lattice QCD in large physical volume (L~1.5fm). As an aside, the renormalisation group invariant charm quark mass M_c could be obtained from the simulation results. A platform independent software was developed for the Monte-Carlo simulations of lattice QCD within the Schrödinger Functional. A number of simulations at different lattice constants allowed the extrapolation of the results to the continuum. Since comparable simulations for the Bs- and the Bs*-meson are not feasible due to the large mass of the b-meson, an interpolation in the meson mass to its physical point was carried out for the decay constant and the mass splitting. The interpolation was carried out between the static limit and the range of meson masses of order m_Ds. The desired observables were therefore determined and extrapolated to the continuum for altogether six meson masses. The functional form of the subsequent interpolation in the meson mass to the static limit was guided by the prediction of the Heavy Quark Effective Theory (HQET). In order to apply it to the results obtained in QCD, a set of conversion functions between HQET and QCD were derived and evaluated numerically with input from results in perturbation theory. The final results are FDs = 226(7)MeV, FDs* = 239(18)MeV, FBs = 198(9)MeV, m_{Ds*}-m_{Ds} = 136(9)MeV, m_{Bs*}-m_{Bs} = 63(6)MeV and M_c = 1.60(3)GeV. The result for the renormalisation group invariant charm quark mass is equivalent to mbar_c^MSbar(mbar_c) = 1.27(3)GeV. The analysis of the interpolation furthermore allowed to estimate, that the lowest order corrections to the static limit in HQET are relatively small. One therefore can expect HQET to offer a good approximation in the range of B-physics.

Wir stellen eine Untersuchung einer Kombination zwischen HQET und relativistischer QCD vor, die das Ziel hat, die b-Quark Masse und die Zerfallskonstante des Bs-Mesons aus Gitter-Simulationen, unter Nichtbeachtung virtueller Fermionenschleifen, zu gewinnen. Wir beginnen mit einem kleinen Volumen, in dem man das b-Quark direkt simulieren kann, und stellen die numerische Verbindung mit einem großen Volumen, wo ``finite-size'''' Effekte vernachlässigbar sind, mit Hilfe einer ``finite-size'''' Methode her. Diese besteht aus zum Kontinuum extrapolierten Schritten, wobei der Massenpunkt, der der physikalischen b-Quark Masse entspricht, durch eine Interpolation erreicht wird. In diese Interpolation fliessen die in der HQET erzielten Resultate ein. Mit dem durch die Sommersche Skale r0 bestimmten Gitterabstand und den experimentalen Werten für die Bs- und K-Massen erhalten wir die Endergebnisse für die renormierungsgruppeninvariante Masse Mb = 6.88(10) GeV, äquivalent zu mb(mb) = 4.42(6) GeV in dem MSbar-Schema und fBs = 191(6) MeV für die Zerfallskonstante. Eine Renormierungsbedingung für den Chromo-magnetischen Operator, der in führender Ordnung der Entwicklung in der schweren Quarkmasse in HQET für die Massenaufspaltung zwischen dem pseudoskalaren und dem vektoriellen Kanal mesonischer schwer-leicht gebundener Zustände verantwortlich ist, wird auf der Basis von Gitter-Korrelationsfunktionen bereitgestellt. Dies eignet sich gut für eine nicht-störungstheoretische Rechnung, welche einen großen Bereich der Renormierungsskala umfasst und keine Valenz-Quarks beinhaltet. Die Zwei-Schleifen Ordnung der entsprechenden anomalen Dimension im Schrödinger-Funktional-Schema wird mit Hilfe von veröffentlichten Ergebnissen berechnet; dies erforderte eine neue Ein-Schleifen Rechnung im SF-Schema mit einem nicht verschwindenden Hintergrundfeld. Die Gitterartefakte bezüglich der Skalenentwicklung des Renormierungsfaktors werden zur Ein-Schleifen Ordnung untersucht, und es wird von nicht-störungstheoretischen Simulationen, unter Nichtbeachtung virtueller Fermionenschleifen, bestätigt, dass sie für die gegenwärtige verfügbare numerische Präzision vernachlässigbar sind. / We present a study of a combination of HQET and relativistic QCD to extract the b-quark mass and the Bs-meson decay constant from lattice quenched simulations. We start from a small volume, where one can directly simulate the b-quark, and compute the connection to a large volume, where finite size effects are negligible, through a finite size technique. The latter consists of steps extrapolated to the continuum limit, where the b-region is reached through interpolations guided by the effective theory. With the lattice spacing given in terms of the Sommer''s scale r0 and the experimental Bs and K masses, we get the final results for the renormalization group invariant mass Mb = 6.88(10) GeV, translating into mb(mb) = 4.42(6) GeV in the MSbar scheme, and fBs = 191(6) MeV for the decay constant. A renormalization condition for the chromo-magnetic operator, responsible, at leading order in the heavy quark mass expansion of HQET, for the mass splitting between the pseudoscalar and the vector channel in mesonic heavy-light bound states, is provided in terms of lattice correlations functions which well suits a non-perturbative computation involving a large range of renormalization scales and no valence quarks. The two-loop expression of the corresponding anomalous dimension in the Schrödinger functional (SF) scheme is computed starting from results in the literature; it requires a one-loop calculation in the SF scheme with a non-vanishing background field. The cutoff effects affecting the scale evolution of the renormalization factors are studied at one-loop order, and confirmed by non-perturbative quenched computations to be negligible for the numerical precision achievable at present.

Wir untersuchen eine SU(3) Yang-Mills-Theorie mit einer Kopplung an ein bosonisches Spinorfeld. Diese als Bermion-Modell bekannte Theorie entspricht formal QCD mit minus zwei Quark-Flavors. Gegenüber der vollen QCD erfordert sie wesentlich weniger Computerzeit und ist deshalb als relativ kostengünstiges Testmodell geeignet. Im Mittelpunkt unseres Interesses steht die Step-Scaling-Funktion, die die Skalenabhängigkeit der laufenden Kopplung im Schrödinger-Funktional-Renormierungsschema beschreibt. Mit Hilfe einer nicht-perturbativen Finite-Size-Technik kann sie benutzt werden, um den Lambda-Parameter, der die Kopplung bei hohen Energien charakterisiert, aus experimentellen Daten bei niedrigen Energien zu bestimmen. Wir studieren im Detail die Gitterartefakte und die Kontinuumsextrapolation der aus Gittersimulationen bestimmten Step-Scaling-Funktion, wenn O(a)-Verbesserung nach Symanzik verwendet wird. Unsere Resultate stellen wir dem Fall von unverbesserten Bermionen und dynamischen Fermionen gegenüber, und vergleichen im Kontinuumslimes mit renormierter Störungstheorie. Weiterhin betrachten wir im Bermion-Modell die Step-Scaling-Funktion mit massiven Quarks. Nach dem Appelquist-Carazzone-Theorem erwartet man, daß Beiträge von Materiefeldern mit ansteigender Masse verschwinden, so daß die Step-Scaling-Funktion gegen den Fall reiner Eichtheorie konvergieren sollte. Wenn man nicht-perturbativ verschiedene effektive Theorien mit verschiedener Anzahl von aktiven Quarks über Massenschwellen hinweg verbinden will, sollten Gitterartefakte klein sein. Um die Durchführbarkeit einer solchen Methode zu testen, untersuchen wir die Step-Scaling-Funktion und ihre Gitterartefakte für verschiedene Massen. Für die Monte-Carlo-Simulation von verbesserten Bermionen entwickeln wir einen geeigneten Algorithmus und vergleichen seine Effizienz mit unbesserten Bermionen und mit voller QCD. Als vorbereitende Studie vergleichen wir die Effizienz verschiedener Algorithmen in reiner Eichtheorie. / As a computationally less costly test case for full QCD, we investigate an SU(3) Yang-Mills theory coupled to a bosonic spinor field. This theory corresponds to QCD with minus two quark flavors and is known as the bermion model. Our central object of interest is the step scaling function which describes the scale evolution of the running coupling in the Schrödinger functional scheme. With the help of a non-perturbative recursive finite size technique, it can be used to determine the Lambda parameter, which characterizes the coupling at high energy, from experimental input at low energies. We study in detail the lattice artefacts and the continuum extrapolation of the step scaling function from lattice simulations when O(a) improvement according to the Symanzik programme is used. Our results are compared to the unimproved bermion and dynamical fermion cases, and to renormalized perturbation theory in the continuum limit. For the bermion model, we also examine the step scaling function with massive quarks. According to the Appelquist-Carazzone theorem the contributions from matter fields are expected to vanish for large masses, such that the step scaling function converges to the pure gauge theory case. If one wants to connect non-perturbatively different effective theories with different numbers of active quarks over flavor thresholds, lattice artefacts should be reasonably small. In order to test the feasibility of such a method, we investigate the step scaling function and its lattice artefacts for several values of the mass. For the Monte Carlo simulation of improved bermions, we develop a suitable algorithm and compare its performance with unimproved bermions and full QCD. As a preparative study, we compare the efficiency of algorithms in pure gauge theory.

Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die Berechnung, aus ersten Prinzipien, von Niedrigenenergiekonstanten (NEK), welche die chirale Störungsheorie (ChST) parametrisieren, durch Simulationen auf dem Gitter. Diese Arbeit ist eine Pilotstudie und will deshalb nicht zu definitiven und präzisen quantitativen Vorhersagen führen, sondern wir möchten qualitative Leitlinien für zukünftige genauere Erforschungen der epsilon-Entwicklung der ChST geben. Letztere ist ein Gebiet in dem die chirale Symmetrie wiederhergestellt ist und wo die Compton-Wellenlänge der leichtesten Mesonen grösser als die lineare Dimension des endlichen Volumens ist. Die epsilon-Region ist weiterhin durch die wichtige Rolle der topologischen Ladung, nu, charakterisiert, so dass die Untersuchung der mesonischen Zweipunkt-Korrelationsfunktionen in definierten topologischen Sektoren vorzunehmen ist. Aus diesem Grunde haben wir chirale Fermionen auf dem Gitter simuliert, wobei der overlap Formalismus für den Dirac Operator, mit dem gewöhnliches Wilson Dirac Operator als Kern, in der quenched Approximation genommen wurde. Wir demonstrieren dass der Sektor mit neutraler topologischer Ladung, nu = 0, numerisch sehr schwierig zu untersuchen ist, weil die Daten von erheblichen Spitzen beeinflusst werden, die aufgrund sehr kleiner, nicht verschwindender Eigenwerte herrühren. Diese Beobachtung findet eine Übereinstimmung in einer Studie der Random Matrix Theory (RMT), die besagt, dass man eine Statistik von mehr als 10000 Konfigurationen benötigt, falls man auf kleine Eigenwerte empfindlich reagierende physikalische Grössen, im triviale topologische Sektoren simulieren möchte. Weniger Probleme ergeben sich in dem nicht-trivialen Sektoren |nu| > 0: wir präsentieren deshalb unsere Ergebnisse aus dem topologisches Sektor nu = 1 und den Daten aus das Sektor mit nu = 2 nur als Gegenprobe. Wir zeigen die Existenz einer unteren Schranke für das physikalisches Volumen bei V > 1 fm zur vierten Potenz für die Gültigkeit der ChST, übereinstimmend mit einer vorherigen Beobachtung aus der RMT. Wir beschränken deshalb unsere Untersuchung auf ein grösseres Gitter, wo wir die Daten des axialen Korrelators mit den Vorhersagen der ChST in der Valenzquark-Approximation fitten und eine stabile Bestimmung der gequenchten Pionen-Zerfallskonstante, F, erhalten. Die skalaren und pseudoskalaren Korrelationsfunktionen sind durch mehrere NEK parametrisiert. Dadurch ist der Vergleich mit den Vorhersagen der ChST schwieriger, und deshalb präsentieren wir nur einige Abschätzungen, die mit der entsprechenden Literatur verglichen werden. Zum Schluss präsentieren wir mögliche Implementierungen von verbesserten Algorithmen für die Inversion des overlap Operators, die die Simulationkosten reduzieren. / The aim of this thesis is the computation of Low Energy Constants (LEC) which parameterise Chiral Perturbation Theory (ChPT) from a first principles analysis via lattice simulations. The thesis provides a pilot study and will not give definitive and precise quantitative predictions, but rather our aim is to provide qualitative hints for future accurate investigations of the epsilon-expansion of ChPT, where chiral symmetry is restored and the Compton wavelength of the lightest meson is larger than the linear size of the finite volume. One of the property characterising the epsilon-regime is the important role played by the topological charge, nu, leading to the investigation of the two-point meson correlation functions in distinct topological sectors. To this end, we simulate chiral fermions on the lattice adopting the overlap formalism for the Dirac operator in the quenched approximation, with the kernel provided by the usual Wilson Dirac operator. We demonstrate that the neutral topological sector, nu = 0, is very difficult to explore numerically, as the data are affected by large spikes due to the presence of very small, non-zero eigenvalues. This observation is in agreement with a study of Random Matrix Theory (RMT), which indicates that a statistic of more than 10000 configurations is required when physical quantities sensitive to small eigenvalues are investigated in the neutral topological sector. Therefore, we present our results corresponding to the topological sector nu = 1. Due to the modest statistic, we only use the nu = 2 data as a crosscheck. We find a lower bound on the physical volume V > 1 fm to the four for ChPT to be used, in agreement with a previous observation using RMT. Restricting our attention to a larger lattice, we fit the data of the axial correlation function with the predictions of quenched ChPT, obtaining a stable determination of the quenched pion decay constant, F. The scalar and pseudoscalar correlation functions are parameterised by a larger number of LEC, rendering the comparison with ChPT predictions much more difficult and hence we present only some estimates that are compared with other determinations in the literature. Finally, we present possible implementations of improved algorithms used in the ``inversion'''' of the overlap operator, whose aim is to reduce the computational cost of the simulations.

In dieser Arbeit wird ein Modell für das Eu-reiche EuO formuliert. Es besteht in einer Erweiterung des Kondo-Gitter-Modells (KGM). Für das KGM existieren nur einige exakte Aussagen. In dieser Arbeit kommt eine neue hinzu, nämlich die exakte Abbildung des periodischen Anderson-Modells auf das antiferromagnetische KGM für beliebige Kopplungsstärke J. Reines EuO ist ein ferromagnetischer Halbleiter. Eu-reiches EuO zeigt einen gewaltigen Metall-Isolator-Übergang in der Nähe der Curie-Temperatur mit einem Sprung im Widerstand von bis zu 13 Größenordnungen. Das ist der größte Sprung im Widerstand, der jemals in der Natur beobachtet wurde. Wir reproduzieren diesen Sprung theoretisch mit der Kubo-Formel. Wir erzielen sehr gute Fits bereits in einer nicht vollständig selbstkonsistenten Theorie, bei der die Magnetisierung der Eu-Spins einer Brillouin-Funktion entnommen ist. In einer vollständig selbstkonsistenten Theorie bestimmen wir die Magnetisierung, die Curie-Temperatur, den spezifischen Widerstand und andere Transporteigenschaften. Wir berechnen Größen wie die elektronische Wärmeleitfähigkeit und die Thermokraft, für die weniger experimentelle Daten zum Vergleich vorhanden sind. Nichtsdestoweniger erscheinen z.B. die Rechnungen für die thermische Leitfähigkeit vertrauenswürdig, da das Wiedemann-Franz-Verhältnis mit der elektrischen Leitfähigkeit einen vernünftigen Wert liefert. Die Leitungselektronenzahl des Eu-reichen EuO kommt aus der Theorie unabhängig von der Leitfähigkeit heraus. Daher können wir aus der Leitfähigkeit und der Leitungselektronenzahl die durchschnittliche Drude-Mobilität (oder Streuzeit) berechnen. Diese Größe hat für höhere Impurity-(Sauerstoff-Leerstellen)-Konzentrationen einen Sprung in der Nähe der Curie-Temperatur von bis zu zwei Größenordnungen in Übereinstimmung mit dem Experiment. / In this thesis a model is formulated for Eu-rich EuO. It consists in an extension of the Kondo lattice model (KLM). For the KLM only a few exact statements exist. To those we add a new one, namely the exact mapping of the periodic Anderson model on the antiferromagnetic KLM for arbitrary coupling constant J. Pure EuO is a ferromagnetic semiconductor. Eu-rich EuO exhibits a huge metal--insulator transition near the Curie temperature with a jump in resistivity of up to 13 orders of magnitude. It is the biggest jump in resistivity ever observed in nature. We theoretically reproduce this jump. We achieve very good fits already within a not fully self-consistent theory where the magnetization of the Eu spins is taken from a Brillouin function. In a fully self-consistent theory we determine the magnetization, the Curie temperature, the resistivity and other transport properties. We calculate quantities like the electronic thermal conductivity and the thermopower, for which there are less experimental data to compare with. Nevertheless, e.g. the calculations for the thermal conductivity seem reliable since the Wiedemann-Franz ratio with the electrical conductivity gives a reasonable result. The conduction-electron number of Eu-rich EuO comes out of the theory independently of the conductivity. So we can calculate from the conductivity and the conduction-electron number the average Drude mobility (or scattering time). This quantitiy has a jump near the Curie temperature of up to two orders of magnitude for higher impurity (oxygen vacancy) concentrations in agreement with the experiment.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Berechnung von für die Struktur des Nukleons relevanten Observablen, die experimentell durch inklusive und semi-inklusive Streuexperimente bestimmt werden können. Es werden zwei Pilotstudien erörtert, welche die Spin- und Impulsstruktur des Nukleons mithilfe von Gitter-QCD untersuchen. Hierfür wird der Twisted-Mass-Formalismus mit dynamischen Fermionen verwendet, um sicherzustellen, dass die untersuchten Größen einen verbesserten Kontinuumslimes aufweisen. Der erste Teil dieser Arbeit untersucht die Umsetzbarkeit einer Rechnung, die sich mit dem durchschnittlichen Impulsanteil der Gluonen im Nukleon auseinandersetzt. Diese Größe wurde bisher kaum im Rahmen der Gitter-QCD behandelt. In diesem Zusammenhang werden zwei verschiedene Gittermethoden untersucht: das Feynman-Hellman-Theorem, sowie die direkte Berechnung der relevanten Formfaktoren. Mithilfe der zweiten Methode und mehreren Iterationen des Schmierens der Eichlinks ist es möglich, statistisch aussagekräftige Resultate zu erhalten. Die zweite Studie beschäftigt sich mit der direkten Berechnung der vollständigen Impuls- und Spinverteilung von Quarks und Antiquarks im Nukleon. Hierfür wird untersucht, ob eine kürzlich publizierte Methode praktikabel ist, nach der eine räumliche Quasiverteilung zu berechnen und aus dieser die physikalische Verteilung abzuleiten ist. In diesem Zusammenhang wird der Einfluß des Schmierens der Eichlinks und unterschiedlicher Impulsboosts des Nukleons erprobt. Die anschließend berechneten Isovektor-Quarkverteilungen (unpolarisiert und polarisiert) weisen eine gute qualitative Übereinstimmung mit Verteilungen auf, die mithilfe von phänomenologischen Analysen bestimmt wurden. Zentrale Erkenntnis dieser Arbeit ist der Nachweis, dass es auf dem Gitter prinzipiell möglich ist, beide Observablen zu berechnen. Trotzdem muss noch erheblich mehr Arbeit aufgewendet werden, um verlässliche Resultate für diese Größen zu erhalten. / This thesis deals with the theoretical computation of nucleon structure observables as they can be experimentally obtained from inclusive and semi-inclusive scattering experiments. I present two exploratory studies on spin and momentum structure observables of the nucleon in the framework of lattice QCD. Throughout this work, I use the twisted mass formalism with dynamical fermions at maximal twist, which ensures an improved continuum limit scaling for the relevant quantities. In the first part, I investigate the feasibility of a lattice calculation of the gluons’ average momentum fraction in the nucleon, a quantity that is rarely studied in lattice QCD. For this purpose, I study two different methods, namely the Feynman-Hellman theorem and the direct computation of the relevant form factor. Applying the latter method and combining it with several steps of stout gauge link smearing, I obtain a statistically significant results for the gluon content. The second study is concerned with the direct computation of the full momentum and spin distribution of quarks and antiquarks within the nucleon. I investigate the feasibility of a recently published approach proposing the computation of a purely spatial quasi-distribution that can be related to the physical distribution. I test the influence of gauge link smearing and different nucleon momentum boosts on the lattice data. Ultimately, I obtain iso-vector quark distributions for the unpolarized and polarize case that featuring a decent qualitative agreement to quark distributions acquired from phenomenological fits. As a key result of this work, I demonstrate that the demanding calculation of gluon content and the novel approach of computing quark distributions directly within lattice QCD are feasible in principle, although significantly more effort has to be invested into obtaining accurate results with reliable uncertainties.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem ferromagnetischen Kondo-Gitter-Modell (s-d-, s-f-Modell) für Filmstrukturen. Die Spin-Fermion-Wechselwirkung des Modells kommt in Materialien vor, in denen lokalisierte Spins mit beweglichen Ladungsträgern wechselwirken, wie etwa in (verdünnten) magnetischen Halbleitern, Manganaten, oder Seltene-Erd-Verbindungen. Die durch die Ladungsträger vermittelte, indirekte Wechselwirkung zwischen den lokalisierten Spins reicht von der langreichweitigen, oszillierenden RKKY-Austauschwechselwirkung im Falle schwacher Kopplung bis zur kurzreichweitigen Doppelaustausch-Wechselwirkung bei starker Spin-Fermion-Kopplung. Beide Grenzfälle werden in dieser Arbeit durch die Abbildung des Problems auf ein effektives Heisenberg-Modell erfasst. Der Einfluss von reduzierter Translationssymmetrie auf die effektive Austauschwechselwirkung und auf die magnetischen Eigenschaften des ferromagnetischen Kondo-Gitter-Modells wird untersucht. Curie-Temperaturen werden für verschiedene Parameterkonstellationen berechnet. Die Auswirkungen von Ladungstransfer und von Gitter-Relaxation auf die magnetische Oberflächenstabilität werden betrachtet. Die Diskussion bezieht sich auf die Modifizierungen der Zustandsdichte und der kinetischen Energie im dimensionsreduzierten Fall, da die effektiven Austauschintegrale eng mit diesen Größen verknüpft sind. Die Bedeutung von Spinwellen für den Magnetismus dünner Filme und an der Oberfläche wird gezeigt. Die Interlagen-Austauschkopplung stellt ein besonders interessantes und wichtiges Beispiel der indirekten Wechselwirkung zwischen lokalisierten Momenten dar. Im Rahmen einer RKKY-Behandlung wird die Kopplung zwischen Monolagen in dünnen Filmen untersucht. Sie wird entscheidend durch die Art der ebenen und senkrechten Ladungsträgerdispersion bestimmt und ist jenseits eines kritischen Wertes der Fermi-Energie stark unterdrückt. Schließlich wird die temperaturabhängige magnetische Stabilität von interlagen-gekoppelten dünnen Filmen behandelt und die Bedingungen für einen temperaturgetriebenen magnetischen Reorientierungsübergang werden diskutiert. / This thesis is concerned with the ferromagnetic Kondo lattice (s-d, s-f) model for film geometry. The spin-fermion interaction of this model refers to materials in which localized spins interact with mobile charge carriers like in (dilute) magnetic semiconductors, manganites, or rare-earth compounds. The carrier-mediated, indirect interaction between the localized spins comprises the long-range, oscillatory RKKY exchange interaction in the weak-coupling case and the short-range double-exchange interaction for strong spin-fermion coupling. Both limits are recovered in this work by mapping the problem onto an effective Heisenberg model. The influence of reduced translational symmetry on the effective exchange interaction and on the magnetic properties of the ferromagnetic Kondo lattice model is investigated. Curie temperatures are obtained for different parameter constellations. The consequences of charge transfer and of lattice relaxation on the magnetic stability at the surface are considered. Since the effective exchange integrals are closely related to the electronic structure in terms of the density of states and of the kinetic energy, the discussion is based on the modifications of these quantities in the dimensionally-reduced case. The important role of spin waves for thin film and surface magnetism is demonstrated. Interlayer exchange coupling represents a particularly interesting and important manifestation of the indirect interaction among localized magnetic moments. The coupling between monatomic layers in thin films is studied in the framework of an RKKY approach. It is decisively determined by the type of in-plane and perpendicular dispersion of the charge carriers and is strongly suppressed above a critical value of the Fermi energy. Finally, the temperature-dependent magnetic stability of thin interlayer-coupled films is addressed and the conditions for a temperature-driven magnetic reorientation transition are discussed.

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.

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.