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京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第24411号 / 理博第4910号 / 新制||理||1702(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 青木 慎也, 教授 大西 明, 教授 橋本 幸士 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

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Quantum Chromodynamics (QCD) is generally assumed to be the fundamental theory underlying nuclear physics. In recent years there is progress towards investigating the nucleon structure from first principles of QCD. Although this structure is best revealed in Deep Inelastic Scattering, a consistent analysis has to be performed in a fully non-perturbative scheme. The only known method for this purpose are lattice simulations. We first sketch the ideas of Monte Carlo simulations in lattice gauge theory. Then we comment in particular on the issues of chiral symmetry and operator mixing. Finally we present our results for the Bjorken variable of a single quark, and for the second Nachtmann moment of the nucleon structure functions.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23697号 / 理博第4787号 / 新制||理||1685(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 青木 慎也, 教授 大西 明, 教授 萩野 浩一 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

The Spin Asymmetries of the Nucleon Experiment (SANE) measured the proton spin structure function g2 in a range of Bjorken x, 0.3 < x < 0.8, where extraction of the twist-3 matrix element dp2 (an integral of g2 weighted by x2) is most sensitive. The data was taken from Q2 equal to 2.5 GeV 2 up to 6.5 GeV2. In this polarized electron scattering off a polarized hydrogen target experiment, two double spin asymmetries, Ak and A⊥ were measured using the BETA (Big Electron Telescope Array) Detector. BETA consisted of a scintillator hodoscope, gas ˇCerenkov counter, lucite hodoscope and a large lead glass electromagnetic calorimeter. With a unique open geometry, a threshold gas ˇCerenkov detector allowed BETA to cleanly identify electrons for this inclusive experiment. A measurement of dp2 is compared to lattice QCD calculations. / Physics

Für verschiedene Richtgrößen, die untersucht werden, um Hinweise auf Neue Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik zu finden, stellt die Gitter-QCD stellt derzeit den einzigen Ab-initio-Zugang für die Berechnung von nichtperturbativen hadronischen Beiträgen dar. Zu diesen Observablen gehören die anomalen magnetischen Momenten der Leptonen und das Laufen der elektroschwachen Kopplungskonstanten. Wir bestimmen den führenden QCD-Beitrag zum anomalen magnetischen Moment des Myons mit Hilfe einer Gitter-QCD-Rechnung auf Ensemblen, die Nf=2+1+1 dynamische Twisted-Mass-Fermionen berücksichtigen. Durch die Betrachtung aktiver up, down, strange and charm Quarks können erstmalig Gitter-QCD-Daten für die Myonanomalie direkt mit phänomenologischen Resultaten verglichen werden, da letztere bei der derzeitigen Genauigkeit sensitiv auf die ersten beiden Quarkgenerationen sind. Unlängst wurde darauf hingewiesen, dass es auch möglich sein könnte Beiträge Neuer Physik durch verbesserte Messungen der anomalen magnetischen Momente des Elektrons und des Tauons nachzuweisen. Aus diesem Grund berechnen wir auch deren führende QCD-Beiträge, was gleichzeitig eine Überprüfung des Wertes für das Myon liefert. Zusätzlich nutzen wir die gewonnenen Daten, um den führenden hadronischen Beitrag zum Laufen der Feinstrukturkonstante zu berechnen. Darüber hinaus zeigen wir, dass sogar für den schwachen Mischungswinkel der führende QCD-Beitrag mit Hilfe dieser Daten berechnet werden kann. Dadurch identifizieren wir eine neue grundlegende Observable für die Suche nach Neuer Physik, deren hadronische Beiträge mit Hilfe der Gitter-QCD beschafft werden können. Mit den Resultaten dieser Arbeit ist es uns gelungen ungeeignete Herangehensweisen der phänomenologisch notwendigen Flavourseparation auszuschließen und somit direkt die derzeit präziseren phänomenologischen Bestimmungen dieser bedeutsamen physikalischen Größe zu unterstützen. / For several benchmark quantities investigated to detect signs for new physics beyond the standard model of elementary particle physics, lattice QCD currently constitutes the only ab initio approach available at small momentum transfers for the computation of non-perturbative hadronic contributions. Among those observables are the lepton anomalous magnetic moments and the running of the electroweak coupling constants. We compute the leading QCD contribution to the muon anomalous magnetic moment by performing lattice QCD calculations on ensembles incorporating Nf=2+1+1 dynamical twisted mass fermions. Considering active up, down, strange, and charm quarks, admits for the first time a direct comparison of the lattice data for the muon anomaly with phenomenological results because both the latter as well as the experimentally obtained values are sensitive to the complete first two generations of quarks at the current level of precision. Recently, it has been noted that improved measurements of the electron and tau anomalous magnetic moments might also provide ways of detecting new physics contributions. Therefore, we also compute their leading QCD contributions, which simultaneously serve as cross-checks of the value obtained for the muon. Additionally, we utilise the obtained data to compute the leading hadronic contribution to the running of the fine structure constant, which enters all perturbative QED calculations. Furthermore, we show that even for the weak mixing angle the leading QCD contribution can be computed from this data. In this way, we identify a new prime observable in the search for new physics whose hadronic contributions can be obtained from lattice QCD. With the results obtained in this thesis, we are able to exclude unsuitable phenomenologically necessary flavour separations and thus directly assist the presently more precise phenomenological determinations of this eminent quantity.

Wir präsentieren die Analyse der Daten, die in den Jahren 2002-2004 mit dem 27.56 GeV Positronenstrahl des HERA Speicherrings am DESY und dem internen transversal polarisierten Wasserstofftarget (''fixed target'') des HERMES Experiments aufgenommen wurden. Ereignisse mit einem gestreuten Positron und einem erzeugter Pion wurden selektiert. Die ausschließliche Erzeugung eines einzelnen Pions, e p -> e'' n pi+, wird durch die Anforderung gewährleistet, daß die fehlende Masse des Ereignisses der Masse des Neutrons, das nicht gemessen wird, entspricht. Der Streuquerschnitt für diesen Prozess hängt von der Bjorken-Skalenvariable, den Vierer-Impulsübertrag und den Transversalimpulsübertrag, deren durchschnittliche Werte für unsere Datensätze bei =0.12, =2.3 GeV^2, =-0.18 GeV^2 liegen, sowie zwei azimuthale Winkel: der Winkel phi zwischen den Streu- und Produktionsebene (die Schnittlinie der Ebenen enthält das virtuelle Photon), und der Winkel phi_S zwischen der Streuebene und dem Polarisationsvector des Targets. Die Asymmetrie, auch Transversal-Target-Einzelspin-Azimuthalasymmetrie genannt, wird als das Verhältnis der Differenz zur Summ der Streuquerschnitte für die positive und negative Targetpolarisation definiert. Es wird durch sechs azimuthale Sinus-Modulationen charakterisiert, deren Amplituden von -1 bis 1 varieren können. Wir messen die Asymmetrie eines Datensatzes von 2093 Ereignissen mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 1:1. Im Durchschnitt wurden geringe oder mit Null übereinstimmende Amplitudenwerte gefunden, abgesehen von der Amplitude von der sin(phi_S) Modulation, allerdings innerhalb der großen exprimentellen Unsicherheiten. Ein direkter und genauerer Vergleich der Daten mit der Theorie verlangt größere Statistik und verbesserte Fähigkeiten des Detektor als für die vorliegende Messung vorhanden waren. / We present the analysis of data taken in the years 2002-2004 with the 27.56 GeV positron beam of the HERA storage ring at DESY and the internal transversely polarised hydrogen fixed target of the HERMES experiment. Events with a scattered positron and a produced pion are selected. Exclusive production of single pions, e p -> e'' n pi+, is ensured by requiring the missing mass in the event to be equal to the mass of the neutron, which is not detected. The cross section for this process depends on the Bjorken scaling variable, the four-momentum transfer, and the transverse four-momentum transfer, whose average values for our sample are =0.12, =2.3 GeV^2, =-0.18 GeV^2, respectively, and two azimuthal angles: the angle phi between the scattering and production planes (their common line contains the virtual photon), and the angle phi_S between the scattering plane and the target polarisation vector. The asymmetry, also called transverse-target single-spin azimuthal asymmetry, is defined as the ratio of the difference to the sum of the cross sections for positive and negative target polarisation. It is characterised by six azimuthal sine modulations, whose amplitudes can vary from -1 to 1. We measure the asymmetry from a sample of 2093 events with a signal-to-background ratio of 1:1. At average kinematics, the values of the amplitudes are found to be small or consistent with zero, except for the amplitude of the sin(phi_S) modulation, however, within their large statistical uncertainties. A direct and more precise data-to-theory comparison requires larger statistics and improved detector capabilities than available for the present measurement.

Les désintégrations semileptoniques du méson $B$ participent à la détermination de certains paramètres fondamentaux du Modèle Standard. Ce travail décrit essentiellement l'étude des deux canaux de désintégrations $B_s \to D_s \ell \bar\nu_\ell$ et $B\to D^{**} \ell\bar\nu_\ell$ (où les $D^{**}$ sont les premières excitations orbitales des mésons $D$ ayant une parité positive). Le cadre théorique est celui de la QCD sur réseau qui, en discrétisant l'espace-temps, permet de calculer non perturbativement les fonctions de Green de la théorie. En utilisant l'action à masse twistée avec deux saveurs dégénérées de quarks dynamiques ($N_f=2$), nous avons commencé par étudier la spectroscopie des états charmés scalaires $D_0^*$ et tenseurs $D_2^*$. Ensuite, nous avons réalisé la détermination du facteur de forme $G_s(1)$ décrivant le processus $B_s\to D_s \ell \bar\nu_\ell$ dans le Modèle Standard. Ce paramètre offre un moyen d'extraire l'élément de la matrice CKM $V_{cb}$. Par ailleurs, et pour la première fois en QCD sur réseau, nous avons déterminé les rapports $F_0(q^2)/F_+(q^2)$ et $F_T(q^2)/F_+(q^2)$ dans la région proche du recul nul: ces contributions sont en effet nécessaires afin de discuter ce canal de désintégration dans certains modèles au-delà du Modèle Standard. Enfin, une étude préliminaire du canal de désintégration $B\to D^{**}$ a été abordée où nous avons trouvé une valeur non nulle de l'élément de matrice décrivant la désintégration $B\to D_0^*$ à recul nul contrairement de ce qui est connu à la limite des quarks lourds. Dans le cas du $B \to D_2^*$, nos résultats ont montré un signal indiquant une différence par rapport aux prédictions de masse infinie. Ces calculs sont indispensables afin de tirer une conclusion plus solide concernant le ``puzzle 1/2 vs 3/2''. / Semileptonic decays of $B$ mesons provide a rich source of knowledge for determining fundamental parameters of the Standard Model. This work reports mainly on the study of two semileptonic decay channels: the $B_s \to D_s \ell\bar\nu_\ell$ and $B\to D^{**} \ell\bar\nu_\ell$ (where the $D^{**}$ are the first orbitally excited states of the $D$ mesons having a positive parity). The theoretical framework is Lattice QCD which is considered as the only satisfying approach which calculates in a non perturbative way the transition amplitudes from first principles. By using the twisted mass QCD on the lattice with $N_f = 2$ dynamical flavors we studied, first, the spectroscopy of the scalar $D_0^*$ and the tensor $D_2^*$ states. Then, we determined the normalization $G_s(1)$ of the form factor dominating $B_s \to D_s \ell \bar\nu_\ell$ in the Standard Model which provides a means of extracting the CKM matrix element $V_{cb}$. Next, we make the first lattice determination of $F_0(q^2)/F_+(q^2)$ and $F_T(q^2)/F_+(q^2)$ near the zero recoil. The obtained results are important for the discussion of this decay in various scenarios of physics beyond the Standard Model. Finally, we did a preliminary study of $B\to D^{**}$ where we have obtained a non vanishing matrix element corresponding to the decay of $B$ into the $D_0^*$ at zero recoil contrary to what was known in the heavy quark limit. Moreover, the computations corresponding to $B\to D_2^*$ show a signal indicating a difference with respect to the infinite mass limit prediction. These results are important to draw a firm conclusion on the ``1/2 vs 3/2 puzzle''.