In dieser Arbeit praesentieren wir Resultate der topologischen Suszeptibilitaet “chi” und untersuchen die Faktorisierung der reinen SU(N) Yang-Mills Eichtheorie im 't Hooft'schen Grenzwert grosser N. Ein entscheidender Teil der Berechnung von chi in der Gittereichtheorie ist die Abschaetzung des topologischen Ladungsdichtekorrelators, die durch ein schlechtes Signal-Rausch- Verhaeltnis beeintraechtigt ist. Um dieses Problem abzuschwaechen, fuehren wir einen neuen, auf einem mehrstufigen Vorgehen beruhenden Algorithmus ein, um die Korrelationsfunktion von Observablen zu berechnen, die mit dem Yang-Mills Gradientenfluss geglaettet wurden. Angewandt auf unsere Observablen, erhalten wir Ergebnisse, deren Fehlerskalierung besser ist, als die von herkoemmlichen Monte-Carlo Simulationen. Wir bestimmen die topologische Suszeptibilitaet in der reinen Yang-Mills Eichtheorie fuer Eichgruppen mit N = 4,5,6 und drei verschiedenen Gitterabstaenden. Um das Einfrieren der Topologie zu umgehen, wenden wir offene Randbedingungen an. Zusaetzlich wenden wir die korrekte Definition der topologischen Ladungsdichte durch den Gradientenfluss an. Unser Endresultat im des Grenzfalls von grossen N repraesentiert eine neue Qualitaet in der Verifikation der Witten-Veneziano Formel. Schliesslich benutzen wir die Gitterformulierung, um die Erwartungswertfaktorisierung des Produkts eichinvarianter Operatoren im Grenzwert grosser N zu verifizieren. Wir arbeiten mit durch den Yang-Mills Grandientenfluss geglaetteten Wilsonschleifen und Simulationen bis zur Eichgruppe SU(8). Die Extrapolationen zu grossen N sind in Ueberstimmung mit der Faktorisierung sowohl fuer endlichen Gitterabstand als auch in Kontinnumslimes. Unsere Daten erlauben uns nicht nur die Verifizierung der Faktorisierung, sondern auch einen hochpraezisen Test des 1/N Skalierungsverhaltens. Hier konnten wir das quadratische Skalierungsverhalten in 1/N finden, welches von 't Hooft vorhergesagt wurde. / In this thesis we present results for the topological susceptibility “chi”, and investigate the property of factorization in the 't Hooft large N limit of SU(N) pure Yang-Mills gauge theory. A key component in the lattice gauge theory computation of chi is the estimation of the topological charge density correlator, which is affected by a severe signal to noise problem. To alleviate this problem, we introduce a novel algorithm that uses a multilevel type approach to compute the correlation function of observables smoothed with the Yang-Mills gradient flow. When applied to our observables, the results show an scaling of the error which is better than the one of standard Monte-Carlo simulations. We compute the topological susceptibility in the pure Yang-Mills gauge theory for the gauge groups with N = 4, 5, 6 and three different lattice spacings. In order to deal with the freezing of topology, we use open boundary conditions. In addition, we employ the theoretically sound definition of the topological charge density through the gradient flow. Our final result in the limit N to infinity, represents a new quality in the verification of the Witten-Veneziano formula. Lastly, we use the lattice formulation to verify the factorization of the expectation value of the product of gauge invariant operators in the large N limit. We work with Wilson loops smoothed with the Yang-Mills gradient flow and simulations up to the gauge group SU(8). The large N extrapolations at finite lattice spacing and in the continuum are compatible with factorization. Our data allow us not only to verify factorization, but also to test the 1/N scaling up to very high precision, where we find it to agree very well with a quadratic series in 1/N as predicted originally by 't Hooft for the case of the pure Yang-Mills gauge theory.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à certains aspects concernant les phénomènes hadroniques à basse énergie sous 1 GeV, en dessous de laquelle la symétrie chirale de la Chromodynamique Quantique (QCD) est spontanément brisée. En dessous de cette échelle d'énergie, le spectre de QCD se réduit à un octet de mésons légers pseudo-scalaires (π, K and η). Mais à cause du confinement, QCD sous 1 GeV devient hautement non perturbative – il n'est donc plus possible de décrire à basse énergie la dynamique de ces mésons en termes de gluons et de quarks (ici seuls les quarks légers u, d et s sont concernés). Deux alternatives principales à cet obstacle majeur existent néanmoins: la QCD sur réseau ainsi que les Théories Effectives des Champs. La QCD sur réseau consiste à calculer de manière numériques les diverses observables hadroniques, alors que les théories effectives permettent de nouveau une approche analytique (et perturbative) adaptée à une échelle d'énergie donnée. Dans le cas de QCD à basse énergie, c'est la Théorie Chirale des Perturbations (ChiPT) qui joue le rôle de théorie effective. Cette théorie peut être construite à partir de deux saveurs de quarks légers (u et s) ou trois (u,d, et s). Il est alors possible d'utiliser certains résultats de calculs sur réseau (ainsi que certains résultats expérimentaux) afin d'extraire des valeurs numériques pour les divers paramètres libres que contient la théorie chirale. Il fut néanmoins observé que le développement en séries chirales de quelques observables hadroniques sont numériquement “malades” dans le cadre de la théorie à trois saveurs. En effet, des travaux antérieurs montrent qu'il pourrait exister une possible compétition numérique entre l'Ordre Dominant (LO) et l'Ordre Sous-Dominant (NLO): en place de la hiérarchie usuelle LO>>NLO, l'équivalence LO~NLO prévalerait. La partie principale de la thèse consiste ainsi à la description et l'utilisation d'une version alternative de ChiPT, nommée Théorie Chirale des Perturbations Ressommée (ReChiPT ). Quelques observables hadroniques de basse energie sont calculées puis étudiées dans ce cadre “ressommé”, puis nous procédons à l'ajustement de certaines données de QCD sur réseau obtenues par des simulations à 2+1 quarks dynamiques sur ces observables exprimées en ReChiPT: les constantes de désintégrations et les masses de l'octet (π, K, η), ainsi que les facteurs de forme Kl3. Nous testons ensuite la validité de notre assertion concernant la possible compétition numérique observée dans les séries chirales. Enfin, dans la dernière partie, nous discutons plusieurs aspects analytiques et numériques concernant certaines quantités topologiques liées de manière intrinsèque à la très complexe structure du vide de QCD, dans le cadre de ChiPT (ressommé), et nous confrontons de nouveau cette étude à des données réseau 2+1. / In this thesis, we focus on some aspects concerning hadronic phenomena at low energy, below 1 GeV, under which the spontaneous breaking of chiral symmetry takes place. Under this scale, the spectrum of Quantum Chromodynamics reduces to an octet of light pseudo-scalar mesons (π, K and η). But because of the confinement property, QCD under 1 GeV is highly non-perturbative, it is thus not possible to describe at low energy the dynamics of these mesons in terms of gluons and quarks (in that case the three light quarks u,d, and s). Two main alternatives exist to circumvent this major obstacle: Lattice QCD and Effective Field Theories. Lattice QCD is concerned with the numerical computations of various hadronic observables, while Effective Field Theories correspond to analytical frameworks adapted to a particular energy scale. In the case of QCD at low energy, this role is devoted to Chiral Perturbation Theory (ChiPT). This theory can be built either from two quark flavours (u and d), or three (u,d, and s). Using the numerical results from Lattice QCD, it is possible to obtain numerical values for the unknown parameters that ChPT contains. It was however observed that the series expansions of hadronic observables stemming from ChiPT calculations do not “behave well” numerically in the three-flavour case. Indeed, previous works shown that there could exists at the numerical level a competition between the Leading and the Next-to- Leading order (LO and NLO); i.e., instead of the usually expected hierarchy LO>>NLO, one would have LO~NLO. The main part of the thesis work consists in the description and the use of a modified version of ChiPT allowing this numerical competition in the chiral series that was called “Resummed ChiPT”. Within this “Resummed” framework, we proceed to fitting data from 2+1 lattice calculations to hadronic observables computed in ChiPT: decay constants and masses of π, K and η, and Kl3 form factors, and check the consistency of our claim about the numerical competition in ChiPT expansions. In the last part, we discuss topological quantities that are intrinsically tied to the very complex structure of the QCD vacuum, in the (resummed) ChiPT framework and in the light of 2+1 lattice data, in their analytical and numerical aspects.