Diese Arbeit untersucht im Rahmen der Gittereichtheorie verschiedene Aspekte der QCD in der Landau-Eichung, insbesondere solche, die mit den Gluon- und Geist-Propagatoren bei kleinen Impulsen zusammenhängen. Die Eichgruppe ist SU(3). Wir analysieren den Einfluss unterschiedlicher systematischer Effekte. Wir zeigen, dass der Formfaktor des Geist-Propagators bei kleinen Impulsen systematisch von der Wahl der Eichkopien (Gribov-Kopien) abhängt. Hingegen können wir einen solchen Einfluss auf den Gluon-Propagator nicht feststellen. Ebenfalls wird die Verteilung der kleinsten Eigenwerte des Faddeev-Popov-Operators durch die Wahl der Eichkopien beeinflusst. Wir zeigen außerdem, dass der Einfluss dynamischer Wilson-Fermionen auf den Geist-Propagator für die untersuchten Impulse vernachlässigbar ist. Für den Gluon-Propagator können wir jedoch einen deutlichen Einfluss für große und mittlere Impulse feststellen. Zusätzlich wurden beide Propagatoren auf asymmetrischen Gittern gemessen und mit den Daten von symmetrischen Gittern verglichen. Wir vergleichen unsere Ergebnisse mit denen aus Studien von Dyson-Schwinger-Gleichungen für den Gluon- und Geist-Propagator. Wir zeigen, dass das in dieser Arbeit gefundene Niedrigimpulsverhalten im Einklang mit verschiedenen Kriterien für Confinement (Einschluss von Farbladungen) ist. Wir berechnen die laufende Kopplung, die sich als eine renormierungsgruppeninvariante Kombination der Gluon- und Geist-Formfaktoren ergibt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass im Bereich kleiner Impulse die laufende Kopplung kleiner wird und so vermutlich kein endlicher Infrarot-Fixpunkt im Grenzfall Impuls Null angestrebt wird. Wir präsentieren außerdem eine erste nichtstörungstheoretische Berechnung der Renormierungskonstante des SU(3) Ghost-Gluon-Vertex. Wir berichten über Untersuchungen zu spektralen Eigenschaften des Faddeev-Popov-Operators. Dazu haben wir eine Reihe der kleinsten Eigenwerte und Eigenvektoren dieses Operators berechnet. / Within the framework of lattice QCD we investigate different aspects of QCD in Landau gauge using Monte Carlo simulations. In particular, we focus on the low momentum behavior of gluon and ghost propagators. The gauge group is SU(3). Different systematic effects on the gluon and ghost propagators are studied. We demonstrate the ghost dressing function to systematically depend on the choice of Gribov copies at low momentum, while the influence on the gluon dressing function is not resolvable. Also the eigenvalue distribution of the Faddeev-Popov operator is sensitive to Gribov copies. We show that the influence of dynamical Wilson fermions on the ghost propagator is negligible at the momenta available to us. On the contrary, fermions affect the gluon propagator at large and intermediate momenta. In addition, we analyze data for both propagators obtained on asymmetric lattices and compare these results with data obtained on symmetric lattices. We compare our data with results from studies of Dyson-Schwinger equations for the gluon and ghost propagators. We demonstrate that the infrared behavior of both propagators, as found in this thesis, is consistent with different criteria for confinement. However, the running coupling constant, given as a renormalization-group-invariant combination of the gluon and ghost dressing functions, does not expose a finite infrared fixed point. Rather the data are in favor of an infrared vanishing coupling constant. We also report on a first nonperturbative computation of the SU(3) ghost-gluon-vertex renormalization constant. We present results of an investigation of the spectral properties of the Faddeev-Popov operator. For this we have calculated the low-lying eigenvalues and eigenmodes of the Faddeev-Popov operator.

Das Ziel dieser Dissertation besteht darin, die Realisierbarkeit der Berechnungen der Niederenergie-Konstanten der chiralen Lagrangedichte zur Gewinnung physikalischer Informationen im epsilon--Regime der quenched QCD zu erforschen. Wir haben der Neuberger Operator und Overlap Hyperkubus Operator eingesetzt. Ein Hauptergebniss dieser Arbeit ist der Vergleich der Wahrscheinlichkeitsverteilungen einzelner Eigenwerte des Neuberger Operators in der QCD mit den analytischen Vorhersagen der Theorie der Zufallsmatritzen. Wir beobachten eine gute Übereinstimmung solange jede Seite des physikalischen Volumens größ er als etwa 1.12 fm ist. Dabei kann auch das chirale Kondensat Sigma abgeschätzt werden. Es ergab sich, daß diese untere Schranke von L allgemein gilt und die Größ e des physikalischen Volumens, auf dem der Axialkorrelator den Vorhersagen des chiralen Störungstheorie folgt, festlegt. Damit koennen wir die Pionzerfallskonstante bestimmen. Unsere Simulationen zeigen, daß wegen der groß en Wahrscheinlichkeit niedriger Eigenwerte die Messung des Axialkorrelators im topologischen neutralen Sektor extrem aufwändig ist. Doch reicht die Empfindlichkeit der Vorhersagen der chiralen Störungstheorie in höheren topologischen Sektoren bei der gegebenen Statistik nicht zur Bestimmung von Sigma aus. Als alternative Methode, gehen wir dazu über, allein den Beitrag der Nullmoden zu betrachten. Hier koennen wir Abschätzungen für die Pionzerfallskonstante und alpha gewinnen. Wir berechnen die topologische Suszeptibilität für den Neuberger und Overlap Hyperkubus Operator. Im letzten Fall ist der berechnete Wert näher beim Kontinuumslimes. Die Lokalisierung für den Overlap Hyperkubus Operator ist auch besser als für den Neuberger Operator. Unser anderes Ziel ist die Erforschung einer topologieerhaltenden Eichwirkung. / This thesis is dedicated to explore the feasibility of extraction of the low energy constants of the chiral Lagrangian in the epsilon--regime of quenched QCD. We apply two formulations of the Ginsparg-Wilson fermions, namely, the Neuberger operator and the hypercube overlap operator to compute the observables of interest. As a main result we present the comparison of the distributions of the leading individual eigenvalues of the Neuberger operator in QCD and the analytical predictions of chiral random matrix theory. We observe a good agreement as long as each side of the physical volume exceeds about 1.12 fm. At the same time the chiral condensate Sigma can also be estimated. It turns out that this bound for L is generic and sets the size of the physical volume where the axial correlator behaves according to chiral perturbation theory. This allows us to compute a value for the pion decay constant. The simulations also show that due to the high probability of the near-zero modes it is prohibitively difficult to sample the axial correlator in the neutral topological sector. In the higher sectors, however, we observe that the sensitivity of the analytical predictions for the axial correlator to extract Sigma is lost to a large extent. As an alternative procedure we only consider the contribution from the zero modes. Here we are able to obtain an estimate for the pion decay constant and alpha, where alpha is a low energy constant peculiar to quenching. We calculate the topological susceptibility, both for the Neuberger operator and for the overlap hypercube operator. It turns out that the result with the overlap hypercube operator is closer to the continuum limit. Also the locality properties are superior to those of the Neuberger fermions. As a theoretical development the Lüscher topology conserving gauge action is investigated. This enables us to sample the observables of interest in the epsilon--regime without recomputing the index.

Eine zusammenfassende Übersicht über die Formulierung der chiralen Störungstheorie (ChPT) für die Gitter Quantenchromodynamik (QCD) ist gegeben. Wir beginnen mit kurzen Zusammenfassungen der chiralen Störungstheorie für die Kontinuum-QCD sowie Symanziks effektiver Theorie für die Gitter-QCD. Anschließend wird die Formulierung der ChPT für die Gitter-QCD behandelt. Nach einem weiteren Kapitel über partial quenching und Theorien mit gemischten Wirkungen werden konkrete Anwendungen diskutiert: Wilson ChPT, staggered ChPT sowie Wilson ChPT mit einem chiral verdrehten Massenterm. Die folgenden Kapitel behandeln das Epsilonregime mit Wilsonfermionen sowie ausgewählte Resultate für ChPT mit gemischten Wirkungen. Den Abschluß bildet die Formulierung der chiralen Störungstheorie für schwere Vektormesonen mit Wilsonfermionen. / The formulation of chiral perturbation theory (ChPT) for lattice Quantum Chromodynamics (QCD) is reviewed. We start with brief summaries of ChPT for continuum QCD as well as the Symanzik effective theory for lattice QCD. We then review the formulation of ChPT for lattice QCD. After an additional chapter on partial quenching and mixed action theories various concrete applications are discussed: Wilson ChPT, staggered ChPT and Wilson ChPT with a twisted mass term. The remaining chapters deal with the epsilon regime with Wilson fermions and selected results in mixed action ChPT. Finally, the formulation of heavy vector meson ChPT with Wilson fermions is discussed.

Die vorliegende Dissertationarbeit ist dem Problem der analytischen Beschreibung des Confinement-Mechanismus in der QCD und in anderen Eichtheorien gewidment. Als Leitprinzip der Arbeit wurde das sogenannte Wilsonsche-Confinement-Kriterium gewählt, gemäss welchem diese Erscheinung durch eine effektive Stringtheorie beschrieben werden kann. Die entstehenden Strings des Eichfeldes verbinden farbige-Objekte (Quarks, Gluonen) miteinander und hindern ihr Auseinandergehen auf makroskopische Abstände. Es werden verschiedene Verfahren der Ableitung dieser Stringstheorien aus unterschiedlichen Eichtheorien, einschliesslich der QCD, vorgestellt. Kapitel 2 enthält die Untersuchung der nichtlokalen effektiven Stringwirkung, die im Rahmen des sogenannten stochastischen Vakuum-Modells der QCD entsteht, wobei die Wechselwirkung zwischen den Elementen der String-Weltfläche durch den phänomenologischen Background-Gluon-Propagator vermittelt wird. Durch Entwicklung dieser Wirkung nach Ableitungen wurden die ersten Terme niedrigster Ordnung bestimmt. Die ersten beiden Terme dieser Entwicklung sind die Nambu-Goto- und Rigidity-Terme mit Kopplungskonstanten, die sich durch das Gluon-Kondensat und die Korrelationlänge des QCD-Vakuums ausdrücken lassen. Die Vorzeichen dieser Konstanten zeigen, dass die durch dieses Verfahren erhaltenen Strings stabil sind. Danach wurde eine mögliche Lösung des ``Crumpling'' Problems auf der Basis eines zusätzlichen topologischen Stringtermes im Instantongas-Modell des QCD-Vakuums vorgestellt. Mittels Störungstheorie im nicht-störungstheoretischen QCD-Background berechneten wir zusätzliche-Korrekturen zur ursprünglichen nicht-störungstheoretischen Stringwirkung. Diese Korrekturen führen zu neuen Formen der nichtlokalen effektiven Stringwirkung, die den störungstheoretischen Gluon-Propagator im Backgroundfeld zwischen den Elementen der Weltfläche enthalten. Durch Ableitungsentwicklung dieser Wirkung bekommen wir eine Korrektur zur Kopplungskonstante des Rigidity-Terms; die Stringsspannung des Nambu-Goto-Terms jedoch bleibt unverändert. Am Ende dieses Kapitels wurde der Hamilton-Operator des QCD-Strings mit spinlosen Quarks hergeleitet, der der effektiven Stringwirkung mit Rigidity-Term entspricht. Dieser Hamilton-Operator liefert einen Korrekturterm zur Wechselwirkung im relativistischen Quarkmodell-Operator. Im Kapitel 3 untersuchten wir das Problem der Stringdarstellung von Abelsch-projezierten Eichtheorien. Als erstes wurde die Herleitung der Stringdarstellung der erzeugenden Funktion für das einfachste Modell dieser Art, d.h. die Abelsch-projezierte SU(2)-QCD gegeben, die einem dualen Abelschen Higgs-Modell mit äusseren elektrisch geladendenen Teilchen äquivalent ist. Der Vorteil dieses Stringszuganges im Vergleich zum Zugang des stochastischen Vakuum-Modells der QCD besteht in der Berücksichtigung der Integration über String-Weltflächen, die auf Grund der Integration über den Singulärteil der Higgsfeld-Phase entsteht. Zusätzlich zur Stringdarstellung der erzeugenden Funktion wurde im London-Limes die Stringdarstellung für die erzeugenden Funktionale der Feldstärke- und Monopolstromkorrelatoren hergeleitet. Dies gab uns die Möglichkeit, die entsprechenden bilokalen Kumulanten zu finden und zu zeigen, dass die bilokalen Kumulanten der Feldstärke für grosse Abstände das gleiche Verhalten wie die entsprechenden eichinvarianten Kumulanten der QCD zeigen. Das Letztere wurde durch das stochastische Vakuum-Modell vorhergesagt und durch Gitterexperimente berechnet. Dieses Ergebnis unterstützt einerseits die Methode der Abelschen Projektion und gibt anderseits dem stochastischen Vakuum-Modell der QCD einen neuen feldtheoretischen Status. Danach erweiterten wir unsere Analyse über den Rahmen des London-Limes hinaus untersuchten den Zusammenhang von quartischen Kumulanten und bilokalen Kumulanten. Anschliessend wurde die Stringdarstellung der SU(3)-Gluodynamik hergeleitet. Dabei wurde die Stringdarstellung für ein entsprechendes duales Modell formuliert, das drei Arten des magnetischen Higgs-Feldes enthält. Infolgedessen liefert das Modell drei Strings, von denen nur zwei wirklich unabhängig sind. Alle diese Strings wechselwirken untereinander durch Austausch zweier massiver dualer Eichbosonen. Ausserdem erhielten wir die bilokalen Kumulanten des effektiven dualen Modells der SU(3)-Gluodynamik. Die entsprechenden bilokalen Kumulanten zeigen für grosse Abstände ein Verhalten wie es durch das stochastische Vakuum-Modell vorhergesagt wurde. Zum Schluss dieses Kapitels geben wir eine nützliche Darstellung für erzeugende Funktionen von Abelsch-projezierten Theorien in Form von Integralen über Monopolströme an. Im Kapitel 4 wurde ein weiteres Modell untersucht, das eine analytische Beschreibung des Confinement-Mechanismus zulässt, nämlich die 3D kompakte QED. Für den Wilson-Loop der entsprechenden Theorie mit Monopoldichten wurde die Äquivalenz zur sogenannten Confining-Stringtheorie demonstriert. Ausserdem wurde das Verhalten der bilokalen Kumulante der Feldstärke im Limes schwacher Felder untersucht. Dieses Verhalten befindet sich ebenfalls in Übereinstimmung mit den Voraussagen des stochastischen Vakuum-Modells. Erwartungsgemäss sind die Stringdarstellungen der erzeugenden Funktionen der 3D kompakten QED im Limes schwacher Felder und der dualen Abelschen Higgs-Modelle sehr ähnlich. Wir zeigten ausserdem, dass diese Entsprechung nicht zufällig ist. Die 3D kompakte QED ergibt sich nämlich im Limes verschwindender Eichbosonmasse aus dem 3D Abelschen Higgs-Modell mit äusseren Monopolen. Zum Schluss wurde ein allgemeines Verfahren der Beschreibung der Anregungen der Stringweltfläche in Abelsch-projezierten Theorien (kompakte QED und QCD) ausgearbeitet. Es ist auf der Methode der nicht-linearen Sigma-Modelle gegründet und gibt eine Möglichkeit, die in diesen Fluktuationen quadratische Effektive Wirkung zu erhalten. In der Dissertation wurden analytische nicht-störungstheoretische Verfahren ausgearbeitet, die neue Informationen über den Confinement-Mechanismus in der QCD und anderen Eichtheorien liefern und zum besseren Verständnis der Vakuumstruktur dieser Theorien beitragen können. Sie sind insbesondere relevant für die Herleitung effektiver Stringtheorien aus Eichtheorien. / The main problem addressed in the present Dissertation was an attempt of an analytical description of confinement in QCD and other gauge theories. As a guiding principle for our investigations served the so-called Wilson's picture of confinement, according to which this phenomenon can be described in terms of some effective theory of strings, joining coloured objects to each other and preventing them from moving apart to macroscopic distances. In this Dissertation, we have proceeded with a derivation of such string theories corresponding to various gauge ones, including QCD, i.e. with the solution of the problem of string representation of gauge theories. We have started our analysis with the nonlocal string effective action, arising within the so-called Stochastic Vacuum Model of QCD, where the interaction between the string world-sheet elements is mediated by the phenomenological background gluon propagator. By performing the derivative expansion of this action, we have derived the first few terms of a string Lagrangian. The first two nontrivial of them turned out to be the Nambu-Goto and rigidity terms with the coupling constants expressed completely via the gluonic condensate and correlation length of the QCD vacuum. The signs of these constants ensure the stability of strings in the so-obtained effective string theory. After that, we have investigated the problem of crumpling for the string world-sheets by derivation of the topological string term in the instanton gas model of the gluodynamics vacuum. Next, by making use of perturbation theory in the nonperturbative QCD vacuum, we have calculated perturbative corrections to the obtained string effective action. Those lead to a new form of the nonlocal string effective action with the propagator between the elements of the world-sheet being the one of a perturbative gluon in the confining background. By the derivative expansion of this action, we got a correction to the rigidity term coupling constant, whereas the string tension of the Nambu-Goto term occurs to get no corrections due to perturbative gluonic exchanges. Finally, we have derived the Hamiltonian of QCD string with spinless quarks at the ends, associated with the obtained string effective action including the rigidity term. In the particular case of vanishing orbital momentum of the system, this Hamiltonian reduces to that of the so-called relativistic quark model, albeit with some modifications due to the rigidity term, which might have some influence on the dynamics of the QCD string with quarks. All these topics have been elaborated on in Section 2, and form the essence of the string representation of QCD within the Stochastic Vacuum Model. In Section 3, we have addressed the problem of string representation of Abelian-projected theories. In this way, we have started with the string representation for the partition function of the simplest model of this kind, namely the Abelian-projected SU(2)-QCD, which is argued to be the dual Abelian Higgs Model with external electrically charged particles. The advantage of this approach to the string representation of QCD w.r.t. the one based on the Stochastic Vacuum Model is a possibility to get an integration over the string world-sheets, resulting from the integration over the singular part of the phase of the Higgs field. After the string representation of the partition function in the London limit, we have proceeded with the string representation for the generating functionals of the field strength and monopole current correlators. Those enabled us to find the corresponding bilocal cumulants and demonstrate that the large-distance asymptotic behaviour of the bilocal field strength cumulant matches the one of the corresponding gauge-invariant cumulant in QCD, predicted by the Stochastic Vacuum Model and measured in the lattice experiments. This result supports the method of Abelian projection on the one hand and gives a new field-theoretical status to the Stochastic Vacuum Model on the other hand. After that, we have extended our analysis beyond the London limit, and studied the relation of the quartic cumulant, which appears there, with the bilocal one in the London limit. Next, by making use of the Abelian projection method, we have addressed the problem of string representation of the SU(3)-gluodynamics. Namely, we have casted the related dual model, containing three types of magnetic Higgs fields, into the string form. Consequently, the latter one turned out to contain three types of strings, among which only two ones were actually independent. As a result, we have found, that both the ensemble of strings as a whole and individual strings display confining properties in a sense that all types of strings (self)interact via the exchanges of the massive dual gauge bosons. We have also derived bilocal cumulants in the effective dual model of confinement, corresponding to the SU(3)-gluodynamics, and they turned out to be also in line with the ones predicted by the Stochastic Vacuum Model. In conclusion of this topic, we have obtained another useful representation for the partition functions of the Abelian-projected theories in the form of an integral over the monopole currents. In Section 4, we have studied another model, allowing for an analytical description of confinement, which is 3D compact QED. In this way, by virtue of the integral over the monopole densities, we have derived string representation for the Wilson loop in this theory and demonstrated the correspondence of this representation to another recently found one, the so-called confining string theory. After that, we have calculated the bilocal cumulant of the field strength tensors in the weak-field limit of the model under study. It also turned out to be in line with the general concepts of the Stochastic Vacuum Model and therefore matches the corresponding results known from the lattice measurements in QCD and found analytically for the effective Abelian-projected theories in the previous Section. Besides that, string representations of the partition functions of the weak-field limit of 3D compact QED and of the dual Abelian Higgs Model turned out to be also quite similar. We have illustrated later on that this correspondence is not accidental. Namely, we have shown that 3D compact QED is nothing else, but the limiting case of 3D Abelian Higgs Model with external monopoles, corresponding to the vanishing gauge boson mass. Finally, we have elaborated on a unified method of description of the string world-sheet excitations in the Abelian-projected theories, compact QED, and QCD, based on the techniques of nonlinear sigma-models, and obtained the effective action, quadratic in the world-sheet fluctuations. In conclusion, the proposed nonperturbative techniques provide us with some new information on the mechanisms of confinement in QCD and other gauge theories and shed some light on the vacuum structure of these theories. They also show the relevance of string theory to the description of this phenomenon and yield several prescriptions for the construction of the adequate string theories from the corresponding gauge ones.

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

In dieser Arbeit wird mit Hilfe der Gitter-Methode der Phasenübergang/Crossover bei nicht verschwindender Temperatur der Quantenchromodynamik mit zwei Quark Flavour untersucht sowie die thermodynamische Zustandsgleichung berechnet. Es wird dabei die Wilson twisted-mass Formulierung der Quark-Wirkung verwendet, welche hinsichtlich des Kontinuum-Limes eine automatische Verbesserung birgt. Erste belastbare Resultate mit dieser Wirkung bei endlicher Temperatur werden in dieser Arbeit gezeigt. Mehrere kleine Werte der Pion-Masse werden betrachtet mit dem Ziel, Aufschluss über die Ordnung des Phasenüberganges im chiralen Limes zu erhalten. Im Bereich der von uns simulierten Pion-Massen zwischen 300 und 700 MeV wird hierbei lediglich ein Crossover-Übergang beobachtet. Die Abhängigkeit der gemessenen Crossover-Temperatur von der Masse wird für eine Extrapolation zu verschwindender Masse hin verwendet unter der Annahme verschiedener Szenarien für den chiralen Limes. Dazu komplementär wird das chirale Kondensat, der Ordnungsparameter der spontanen Brechung der chiralen Symmetrie, vor dem Hintergrund der so genannten magnetischen Zustandsgleichung untersucht, welche das universelle Verhalten in der Nähe des Phasenüberganges für die Universalitätsklasse des O(4) Modells angibt. Hinsichtlich der Thermodynamik wird ausgehend von der Spur-Anomalie und unter Benutzung der Temperatur-Integral Methode der Druck und die Energiedichte im Crossover-Gebiet berechnet. Der Kontinuum-Limes der Spur-Anomalie wird mit mehreren Gitterdiskretisierungen der Temperatur Nt sowie unter Zuhilfenahme einer tree-level Korrektur untersucht. / In this thesis we report about an investigation of the finite temperature crossover/phase transition of quantum chromodynamics and the evaluation of the thermodynamic equation of state. To this end the lattice method and the Wilson twisted mass discretisation of the quark action are used. This formulation is known to have an automatic improvement of lattice artifacts and thus an improved continuum limit behaviour. This work presents first robust results using this action for the non-vanishing temperature case. We investigate the chiral limit of the two flavour phase transition with several small values of the pion mass in order to address the open question of the order of the transition in the limit of vanishing quark mass. For the currently simulated pion masses in the range of 300 to 700 MeV we present evidence that the finite temperature transition is a crossover transition rather than a genuine phase transition. The chiral limit is investigated by comparing the scaling of the observed crossover temperature with the mass including several possible scenarios. Complementary to this approach the chiral condensate as the order parameter for the spontaneous breaking of chiral symmetry is analysed in comparison with the O(4) universal scaling function which characterises a second order transition. With respect to thermodynamics the equation of state is obtained from the trace anomaly employing the temperature integral method which provides the pressure and energy density in the crossover region. The continuum limit of the trace anomaly is studied by considering several values of Nt and the tree-level correction technique.

Diese Dissertation beschreibt eine Messung von hadronischen Ereignisformvariablen (event shapes) in Protonkollisionen mit einer Schwerpunktsenergie von 7 TeV am Large Hadron Collider (LHC) am CERN (Conseil Europeenne pour la Recherche Nucleaire) bei Genf (Schweiz). Die analysierten Daten mit einer integrierten Luminosität von 1.1 inversen fb wurden im Jahr 2011 mit dem ATLAS Experiment aufgenommen. Für die Analyse wurden solche Ereignisse ausgewählt, in deren harten Streuprozessen ein Z-Boson produziert wurde, welches entweder in ein Elektron-Positron-Paar oder ein Muon-Antimuon-Paar zerfällt. Die Observablen wurden mit sämtlichen rekonstruierten Spuren innerhalb der Akzeptanz des inneren Spurdetektors (Inner Detector) von ATLAS außer denen der Leptonen des Zerfalls des Z-Bosons berechnet. Somit handelt es sich hierbei um die erste Messung dieser Art. Anschließend wurden die Observablen auf Untergrundprozesse mit auf Daten basierenden Methoden korrigiert wobei ein neues Verfahren für die Korrektur des sogenannten Pile-up (Überlagerung mehrerer Proton-Proton Wechselwirkungen) entwickelt und erfolgreich zur Anwedung gebracht wurde. Schließlich wurden die gemessenen Verteilungen entfaltet. Die so erhaltenen Daten sind insbesondere sensitiv auf das sogenannte Underlying Event und können direkt mit Monte-Carlo-Ereignisgeneratoren ohne aufwändige Simulation des ATLAS-Detektors verglichen werden. Abschließend wurde versucht die Modellparameter in den Simulationsprogrammen Pythia8 und Sherpa mithilfe der gewonnenen Daten durch eine bessere Abstimmung (Tuning) zu verbessern. Hierbei zeigte sich, dass das zugrunde liegende Sjostrand-Zijl Modell nicht ausreicht, um eine adäquate Beschreibung der gemessenen Verteilungen zu erreichen. / This thesis describes a measurement of hadron-collider event shapes in proton-proton collisions at a centre of momentum energy of 7 TeV at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN (Conseil Europeenne pour la Recherche Nucleaire) located near Geneva (Switzerland). The analysed data (integrated luminosity: 1.1 inverse fb) was recorded in 2011 with the ATLAS-experiment. Events where a Z-boson was produced in the hard sub-process which subsequently decays into an electron-positron or muon-antimuon pair were selected for this analysis. The observables are calculated using all reconstructed tracks of charged particles within the acceptance of the inner detector of ATLAS except those of the leptons of the Z-decay. Thus, this is the first measurement of its kind. The observables were corrected for background processes using data-driven methods. For the correction of so-called pile-up (multiple overlapping proton-proton collisions) a novel technique was developed and successfully applied. The data was further unfolded to correct for remaining detector effects. The obtained distributions are especially sensitive to the so-called Underlying Event and can be compared with predictions of Monte-Carlo event-generators directly, i.e. without the necessity of running time-consuming simulations of the ATLAS-detector. Finally, it was tried to improve the predictions of the event generators Pythia8 and Sherpa by finding an optimised setting of relevant model parameters in a technique called Tuning. It became apparent, however, that the underlying Sjostrand-Zijl model is unable to give a good description of the measured event-shape distributions.

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.