The modifications of hadronic properties caused by an ambient nuclear medium are investigated within the scope of QCD sum rules. This is exemplified for the cases of the omega meson, the nucleon and the D meson. By virtue of the sum rules, integrated spectral densities of these hadrons are linked to properties of the QCD ground state, quantified in condensates. For the cases of the omega meson and the nucleon it is discussed how the sum rules allow a restriction of the parameter range of poorly known four-quark condensates by a comparison of experimental and theoretical knowledge. The catalog of independent four-quark condensates is covered and relations among these condensates are revealed. The behavior of four-quark condensates under the chiral symmetry group and the relation to order parameters of spontaneous chiral symmetry breaking are outlined. In this respect, also the QCD condensates appearing in differences of sum rules of chiral partners are investigated. Finally, the effects of an ambient nuclear medium on the D meson are discussed and relevant condensates are identified. / Die Veränderungen von Hadroneneigenschaften durch ein umgebendes nukleares Medium (Kernmaterie) werden mit der Methode der QCD-Summenregeln untersucht. Dies wird am Beispiel des omega-Mesons, des Nukleons und des D-Mesons vorgeführt. Durch die Summenregeln werden integrierte Spektraldichten dieser Hadronen in Beziehung zu Eigenschaften des QCD-Grundzustandes, quantifiziert in Kondensaten, gesetzt. Diskutiert wird am Beispiel des omega-Mesons und des Nukleons, wie diese Summenregeln eine Einschränkung des Parameterbereiches von wenig bekannten Vierquark-Kondensaten durch Vergleich von experimentellen und theoretischen Erkenntnissen erlauben. Ein Katalog unabhängiger Vierquark-Kondensate wird aufgestellt und Relationen zwischen diesen Kondensaten werden deutlich gemacht. Das Verhalten der Vierquark-Kondensate unter der chiralen Symmetriegruppe und der Zusammenhang mit Ordnungsparametern spontaner chiraler Symmetriebrechung werden behandelt. In dieser Hinsicht werden auch die in Differenzen der Summenregeln chiraler Partner eingehenden QCD-Kondensate untersucht. Schließlich werden die Effekte endlicher Kerndichten beim D-Meson diskutiert und relevante Kondensate identifiziert.

Les études des propriétés et du mécanisme de la production du charmonium ont débuté avec la découverte du méson J/ψ. Depuis plus de 40 ans, le mécanisme de production de charmonium n'est toujours pas clair. Les états de charmonium sont copieusement produits dans les collisionneurs hadroniques, ce qui permet d'étudier systématiquement leurs paramètres de résonance, leur production et leurs désintégrations. En dépit des taux de production élevés, de nombreux états de charmonium sont peu étudiés suite aux difficultés de leur reconstruction avec le bruit de fond important. L’expérience LHCb offre une opportunité unique d’étudier les états S et P de charmonium en utilisant leurs désintégrations vers des hadrons, et en particulier la production des états ηc et χc. Selon le formalisme de la QCD non relativiste (NRQCD), les éléments de matrice décrivant l’hadronisation des états S (ou P) du charmonium sont liés. Par conséquent, les mesures LHCb fournissent les nouveaux tests rigoureux de NRQCD. Dans le cadre de la thèse, la première mesure de la section efficace de production de l’état ηc(1S) à √s=13 TeV et la mesure la plus précise de la masse sont effectués, avec la désintégration de l'état ηc(1S) vers proton et antiproton. De plus, la production des états χc et ηc(2S) dans les désintégrations des hadrons b est étudiée en utilisant leurs désintégrations vers φφ. Les résultats obtenus sont confrontés aux prédictions de modèles théoriques. L’analyse phénoménologique originale démontre que la description de la production de charmonium dans les collisions hadroniques et de la production dans les désintégrations inclusives des hadrons b dans la gamme entière des impulsions transverses demeure un défi. / Studies of charmonium properties and production mechanism started with the discovery of J/ψ meson. Since more than 40 years the charmonium production mechanism is still not entirely understood. Following the era of investigations at e⁺e⁻ machines, nowadays, charmonium states are copiously produced at hadron colliders, that allows systematic studies of their resonance parameters, production observables and decays. Despite large production rates, many charmonium states are barely studied due to the complications of their reconstruction against a large background level. The LHCb experiment provides a unique opportunity to study S-wave and P-wave charmonium states using their decays to hadrons. This allows measuring production observables of ηc and χc charmonium states. According to the theoretical formalism of Non-Relativistic QCD (NRQCD), the production observables of the same wave charmonium states are linked. Hence, the LHCb measurements provide a series of stringent tests of NRQCD. In the framework of this thesis, the first measurement of the ηc(1S) differential production cross-section at √s=13 TeV and the most precise to date single mass measurement are performed, where the ηc(1S)$ state is reconstructed via its decay to proton and antiproton. In addition, the production of the χc and ηc(2S) states in b-hadron decays is studied using decays to φφ. The obtained results are confronted with existing theory predictions. The original phenomenological analysis concludes that the description of charmonium prompt production and production in inclusive b-hadron decays in an entire range of transverse momentum remains a challenge.

No description available.

In dieser Arbeit befassen wir uns mit einer Reihe von entscheidenden Schritten, um die unpolarisierten Helizitäts- und Trasversitäts-Parton-Verteilungsfunktionen der Nukleonen im Rahmen der Gitter-QCD zu bewerten. Diskretisierungsartefakte werden unter Verwendung eines N_f=2+1+1 Eichensembles von Fermionen mit verdrillter Wilson-Masse untersucht, die bei einer Pionenmasse von ungefähr M=37 MeV simuliert werden. Die unpolarisierten und Helizitäts Partonverteilungsfunktionen weisen eine nicht vernachlässigbare Abhängigkeit vom Gitterabstand auf, und die Kontinuumsextrapolation ergibt eine bessere Übereinstimmung mit Phänomenologie. Die direkte Berechnung der Fourier-Transformation mit diskreten Gitterdaten kann Artefakte verursachen. Daher arbeiten wir mit einer neuen datengesteuerten Methode, die auf Gauß-Prozess-Regression basiert, die sogenannte Bayes-Gauß-Fourier-Transformation, um die Einschränkungen der diskreten Fourier-Transformation zu überwinden. Wir sind der Meinung, dass dieser datengesteuerte Ansatz die durch die Diskretisierung der Fourier-Transformation eingeführten Artefakte drastisch reduzieren kann, jedoch ist der endgültige Effekt auf die Lichtkegel-PDFs gering. Darüber hinaus präsentieren wir die Ergebnisse der ersten ab initio Berechnung der individuellen up, down und strange unpolarisierten, Helizitäts- und Transversitäts-Partonverteilungsfunktionen für das Proton. Die Analyse wird an einem durch N_f=2+1+1 verdrillten Kleeblatt-verbesserten Fermionen-Ensemble durchgeführt, das bei einer Pionenmasse von 260 MeV simuliert wird. Wir verwenden den hierarchischen Sondierungsalgorithmus, um die unzusammenhängenden Quarkschleifen auszuwerten. Dadurch erhalten wir Ergebnisse ungleich Null für den unbegundenen isoskalaren Beitrag und die strange Quark-Matrixelemente. / In this work, we address a number of crucial steps in order to evaluate the nucleon unpolarized helicity and trasversity parton distribution functions within the framework of lattice QCD. Discretization artifacts are investigated using an N_f=2+1+1 gauge ensemble of Wilson twisted mass fermions simulated at a pion mass of approximately M=370 MeV. The unpolarized and helicity parton distribution functions show a non-negligible dependence on the lattice spacing, with the continuum extrapolation producing a better agreement with phenomenology. The direct computation of the Fourier transform using discrete lattice data may introduce artifacts and we, therefore, use a new data-driven method based on Gaussian process regression, the so-called Bayes-Gauss Fourier transform to overcome the limitations of the discrete Fourier transform. We find that this data-driven approach can drastically reduce the artifacts introduced by the discretization of the Fourier transform, however, the final effect on the light-cone PDFs is small. Furthermore, we present results of the first ab initio calculation of the individual up, down, and strange unpolarized, helicity, and transversity parton distribution functions for the proton. The analysis is performed on an N_f=2+1+1 twisted mass clover-improved fermion ensemble simulated at a pion mass of 260 MeV. We employ the hierarchical probing algorithm to evaluate the disconnected quark loops, allowing us to obtain non-zero results for the disconnected isoscalar contribution and the strange quark matrix elements.

Einer der finalen Schritte in Simulationen von Gitter Quantenchromodynamik (QCD) oder Gittereichtheorie ist die Kontinuumsextrapolation, um die eigentliche Kontinuumsphysik zu extrahieren. Diese Extrapolation beruht stark auf Annahmen über die asymptotische Abhängigkeit vom Gitterabstand, was zu systematischen Unsicherheiten des Kontinuumslimes führt. In klassischen Feldtheorien ist die asymptotische Form schlicht eine Potenzreihe im Gitterabstand, wobei die führende Potenz von der gewählten Diskretisierung auf dem Gitter abhängt. Die Quantenkorrekturen in Gitter QCD und Gittereichtheorie brechen dieses Verhalten. Für asymptotisch freie Theorien wie Gitter QCD werden die ganzzahligen Potenzen im Gitterabstand mit einer Potenz der laufenden Kopplung multipliziert. Die führenden Potenzen in der Kopplung lassen sich wiederum aus den anomalen Dimensionen von höher-dimensionalen Operatoren bestimmen, die eine Basis für eine Symanzik Effektiven Feldtheorie bilden. Im Rahmen dieser Arbeit werden die führenden Potenzen in der Kopplung für die Wilson oder Ginsparg-Wilson (GW) Wirkung bestimmt, die für spektrale Größen wie Hadronmassen beitragen. Die untere Schranke des Spektrums dieser Potenzen liegt nahe null für Gitter QCD mit Wilson oder GW Quarks, weshalb keine Probleme durch eine verschlechterte Konvergenz zum Kontinuumslimes zu erwarten sind. Allerdings ist das Spektrum der führenden Potenzen sehr dicht. Dadurch lässt sich der Operator der minimalen Basis mit dominierendem Beitrag zu den Gitterartefakten schlecht bestimmen und ein kompliziertes Zusammenspiel der verschiedenen Beiträge zu den Gitterartefakten ist möglich. Nun, da die führenden Korrekturen der Gitterwirkungen mit Wilson und GW Quarks zur klassischen Potenz im Gitterabstand bekannt sind, sollten diese für die Kontinuumsextrapolation genutzt werden, sowohl für den Ansatz der Extrapolationsfunktion als auch als Orientierungshilfe, um die inhärente systematische Unsicherheit des Kontinuumslimes abzuschätzen. / One of the final steps in simulations of lattice Quantum Chromodynamics (QCD) or lattice pure gauge theory is the continuum extrapolation to extract the actual continuum physics. This extrapolation relies heavily on assumptions regarding the asymptotic dependence on the lattice spacing, which introduces an inherent systematic uncertainty to the continuum limit. In classical field theories the asymptotic form is a power series in the lattice spacing, where the leading power depends on the chosen lattice discretisation. The quantum nature of lattice QCD and lattice pure gauge theory spoils this behaviour. For asymptotically free theories like lattice QCD the integer powers in the lattice spacing are multiplied by an additional power in the running coupling. The leading powers in the coupling can be determined from the anomalous dimensions of higher dimensional operators, which form a minimal basis of a Symanzik Effective theory. The scope of this thesis is to compute the leading powers in the coupling for the Wilson or Ginsparg-Wilson (GW) action relevant for spectral quantities like hadron masses. The lower bound of these powers is close to zero for lattice QCD with Wilson or GW quarks such that no problems from a reduced convergence towards the continuum limit are to be expected. However the spectrum of leading powers is very dense. The operator of the minimal basis with dominant contributions to the lattice artifacts is thus hard to determine and complicated interplay of the contributions from the various operators is possible. Now the leading corrections from lattice actions with Wilson or GW quarks to the classical power in the lattice spacing are known and should be used when performing the continuum extrapolation both through explicit use in the fit ansatz and as an orientation to estimate the systematic uncertainty inherent to the continuum limit.

Gitter QCD strebt nach höherer Präzision. Hier untersuchen wir zwei kritische Punkte, die zur Genauigkeit von Gitter-Ergebnissen beitragen. Im ersten Teil kalibrieren wir Gitterabstände von QCD Simulationen mit 2 + 1 Arten (flavor) dynamischer Quarks. Dabei nutzen wir neue Messungen und eine mehrere Modelle für den chiralen- und Kontinuumslimes, um die Ergebnisse der 2017 durchgeführten Studie [1] zu verbessern. Der zweite Teil befasst sich mit Simulationsalgorithmen. Wir testen einen Algorithmus, der eine schnellere Lösung der Dirac-Gleichung verspricht. Wir analysieren die Anwendung des FETI-Algorithmus (Finite Element Tear and Interconnect) im Zusammenhang mit Gitter-QCD-Simulationen und vergleichen ihn mit anderen modernen Lösungsverfahren aus der Klasse der Domänendekompositionslösern. Wir untersuchen verschiedene Präkonditionierer und ihre Auswirkungen auf die Konvergenz der Lösung. / Lattice QCD simulations strive for higher precision. Here, we study two critical points in the generation of high precision lattice results. In the first part, we calibrate the lattice spacings of QCD simulation with 2 + 1 flavors of dynamical fermions. We incorporate new measurements and use additional models for the chiral and continuum extrapolations to refine the result obtained in 2017 [1]. The second part focuses on simulation algorithms. We test an algorithm which promises faster solution of the Dirac equation. We analyze the application of the Finite Element Tear and Interconnect (FETI) algorithm in the context of lattice QCD simulations and compare it to other state-of-the-art domain decomposition solvers. We examine various preconditioners and their effects on the convergence of the solution.

No description available.

Es gibt im Allgemeinen zwei Paradigmen für Entdeckungen in der Teilchenphysik: direkte und indirekte Suchen. Direkte Suchen zielen darauf ab, klare Signale für vermutete Phänomene zu finden, während indirekte Suchen nach Abweichungen zwischen theoretischen Vorhersagen und experimentellen Messungen suchen. Nach dem Nachweis des Higgs-Bosons, wodurch das Standardmodell der Teilchenphysik vervollständigt wurde, haben sich indirekte Suchen als besonders relevant erwiesen, da direkte Nachweise von Physik jenseits des Standardmodells bei aktuellen Energiebereichen unwahrscheinlich sind. Die Herausforderung besteht darin, die Präzision der theoretischen Vorhersagen zu erhöhen, um mögliche Diskrepanzen zu erkennen. Hierbei spielen Gitter-QCD Simulationen für die Berechnung nichtperturbativer hadronischer Observablen eine zentrale Rolle. Für Vorhersagen mit subprozentualer Genauigkeit sind Korrekturen durch Strahlungseffekte und Isospin-Brechung zunehmend wichtig, was durch die Simulation von QCD+QED erreicht wird. Die Einbeziehung von QED stellt neue technische Herausforderungen dar. Diese Arbeit fokussiert sich auf einen Ansatz, der QED-Probleme in endlichen Volumina löst und dabei Eichinvarianz, Lokalität und Translationssymmetrie wahrt, bekannt als QED mit C-Paritäts-Randbedingungen (QED$_C$). Es werden erste umfangreiche QCD+QED$_C$-Simulationen analysiert, darunter acht Eichfeld-Ensembles mit unterschiedlichen Werten der renormierten elektrischen Kopplung, jedoch gleicher Pionenmasse und Gitterabstand. Außerdem wird auf die Einstellung (tuning) der Eingabeparameter für Gittersimulationen eingegangen, um reale physikalische Verhältnisse zu reproduzieren, sowie eine optimierte Strategie mittels Neugewichtung (reweighting) der nackten Quarkmassen im Kontext des RHMC-Algorithmus vorgestellt und evaluiert. / Particle physics research employs two primary approaches for discoveries: direct and indirect searches. Direct searches aim to directly observe phenomena, while indirect searches seek discrepancies between theoretical predictions and experimental results. With the discovery of the Higgs boson, the standard model of particle physics was completed, shifting the focus towards indirect searches due to the lack of compelling evidence for new physics at current energy scales. These searches necessitate highly precise theoretical predictions, particularly for non-perturbative hadronic observables, which are calculated using lattice QCD simulations. The need for sub-percent precision has highlighted the importance of accounting for radiative and isospin-breaking corrections, leading to the simulation of fully dynamical QCD+QED. This thesis addresses the challenges of incorporating QED into lattice QCD, focusing on an approach that maintains gauge invariance, locality, and translational invariance using QED with C-parity boundary conditions (QED$_C$). It presents a comprehensive technical analysis of the first large-scale QCD+QED$_C$ simulations, detailing eight fully dynamical gauge field ensembles with various renormalized electric coupling values ($\alpha_\mathrm{R} \in \{0,1/137,0.04\}$), consistent pion mass ($m_\pi \approx 400$ MeV), and lattice spacing ($a\approx 0.05$ fm). The thesis examines the stability of the simulation algorithm, finite volume effects, and the behavior of different hadron masses. Furthermore, it elaborates on the tuning of input parameters for lattice simulations to replicate real-world physics accurately, focusing on the hadronic renormalization scheme used to fix bare quark masses. It introduces an optimized strategy for tuning QCD+QED parameters via mass reweighting, adapted for simulations using the RHMC algorithm, highlighting its development, implementation, and testing.

QCD at non-zero baryon density is expected to have a critical point where the finite temperature crossover at zero density turns into a first order phase transition. To identify this point, we use the canonical ensemble approach to scan the temperaturedensity plane through lattice QCD simulations with Wilson-type fermions. In order to scan a wide range of the phase diagram, we develop an algorithm, the ”winding number expansion method” (WNEM) to fix the numerical instability problem due to the discrete Fourier transform for calculating the projected determinant. For a given temperature, we measure the chemical potential as a function of the baryon number and look for the signal of a first order phase transition. We carry out simulations using clover fermions with mπ ≈ 800MeV on 63 × 4 lattices. As a benchmark, we run simulations for the four degenerate flavor case where we observe a clear signal of the first order phase transition. In the two flavor case we do not see any signal for temperatures as low as 0.83 Tc. To gauge the discretization errors, we also run a set of simulations using Wilson fermions and compare the results to those from the clover fermion. The three flavor case is close to realistic QCD with two light u and d quarks and one heavier s quark. Any hint of the existence of the first order phase transition and, particularly, its critical end point will be valuable for the planned relativistic heavy-ion experiments to search for such a point. In the three flavor case we found a clear signal for the first order phase transition, the critical point is located at a temperature of 0.93(2) Tc and a baryon chemical potential of 3.25(7) Tc. Since the quark mass in our present simulation is relatively heavy, we would like to repeat it with lighter quark masses and larger volumes.

We investigate phase transitions in holographic models of QCD. In chapter I, we explore the effect of constant external U(1) fields on the physics of chiral symmetry breaking, as realized in the D3/D7 model. We discover that this model exhibits the phenomenon of magnetic catalysis, which is what one would expect from a weakly coupled field theory intuition. In chapter II, we continue exploring the effect of external U(1) fields but now on the backreacted D3/D7 model, where the backreaction is obtained via a smearing procedure. We again find the magnetic catalysis effect, however the results differ from the previous case depending on the backreaction parameters. In chapter III, we investigate lattices of instantons in the D4/D8 model of chiral symmetry breaking. These instanton lattices can change dimensionality, and in particular we investigate the 1D [right arrow] 2D transition as a simpler case of the more complicated 3D [right arrow] 4D transition which is conjectured to be holographically dual to the baryonic to quarkyonic phase transition. Besides this interpretation, one could also view this as a hypothetical condensed matter system. We have a lattice of instantons dominated by two-body forces, whose interactions depend not only on their mutual distance in physical space but also on their relative orientations in the internal isospace. We obtain a rich variety of instanton crystals whose description could serve to be useful beyond holography. / text