The goal of the Q-weak experiment is to make a measurement of the proton's weak charge ($Q^p_W = 1-4\sin^2\theta_W$) to an accuracy of ~4%. This would represent a ~0.3% determination of the weak mixing angle ($\sin^2\theta_W$) at low energy. The measurement may be used for a precision test of the Standard Model (SM) prediction on the running of $\sin^2\theta_W$ with energy scale. The Q-weak experiment operates at Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab). The experiment determines the proton's weak charge by measuring the parity violating asymmetry in elastic electron-proton scattering at low momentum transfer $Q^2 = 0.026 (GeV/c)^2$ and forward angles (~8 degree). The anticipated size of the asymmetry, based on the SM, is about 230 parts per billion (ppb). With the proposed accuracy, the experiment may probe new physics beyond Standard Model at the TeV scale. This thesis focuses on my contributions to the experiment, including track reconstruction for momentum transfer determination of the scattering process, and the focal plane scanner, a detector I designed and built to measure the flux profile of scattered electrons on the focal plane of the Q-weak spectrometer to assist in the extrapolation of low beam current tracking results to high beam current. Preliminary results from the commissioning and the first run period of the Q-weak experiment are reported and discussed.

Le travail qui suit comporte quatre chapitres : le premier est centré autour de la propriété de mélange faible pour les échanges d'intervalles et flots de translation. On y présente des résultats obtenus avec Artur Avila qui renforcent des résultats précédents dus à Artur Avila et Giovanni Forni. Le deuxième chapitre est consacré à un travail en commun avec Zhiyuan Zhang et concerne les propriétés d'ergodicité et d'accessibilité stables pour des systèmes partiellement hyperboliques de dimension centrale au moins égale à deux. On montre que sous des hypothèses de cohérence dynamique, center bunching et pincement fort, la propriété d'accessibilité stable est dense en topologie C^r, r>1, et même prévalente au sens de Kolmogorov. Dans le troisième chapitre, on expose les résultats d'un travail réalisé en collaboration avec Julie Déserti, consacré à l'étude d'une famille à un paramètre d'automorphismes polynomiaux de C^3 ; on montre que de nouveaux phénomènes apparaissent par rapport à ce qui était connu dans le cas de la dimension deux. En particulier, on étudie les vitesses d'échappement à l'infini, en montrant qu'une transition s'opère pour une certaine valeur du paramètre. Le dernier chapitre est issu d'un travail en collaboration avec Jiangong You, Zhiyan Zhao et Qi Zhou ; on s'intéresse à des estimées asymptotiques sur la taille des trous spectraux des opérateurs de Schrödinger quasi-périodiques dans le cadre analytique. On obtient des bornes supérieures exponentielles dans le régime sous-critique, ce qui renforce un résultat précédent de Sana Ben Hadj Amor. Dans le cas particulier des opérateurs presque Mathieu, on montre également des bornes inférieures exponentielles, qui donnent des estimées quantitatives en lien avec le problème dit "des dix Martinis". Comme conséquences de nos résultats, on présente des applications à l'homogénéité du spectre de tels opérateurs ainsi qu'à la conjecture de Deift. / The following work contains four chapters: the first one is centered around the weak mixing property for interval exchange transformations and translation flows. It is based on the results obtained together with Artur Avila which strengthen previous results due to Artur Avila and Giovanni Forni. The second chapter is dedicated to a joint work with Zhiyuan Zhang, in which we study the properties of stable ergodicity and accessibility for partially hyperbolic systems with center dimension at least two. We show that for dynamically coherent partially hyperbolic diffeomorphisms and under certain assumptions of center bunching and strong pinching, the property of stable accessibility is dense in C^r topology, r>1, and even prevalent in the sense of Kolmogorov. In the third chapter, we explain the results obtained together with Julie Déserti on the properties of a one-parameter family of polynomial automorphisms of C^3; we show that new behaviours can be observed in comparison with the two-dimensional case. In particular, we study the escape speed of points to infinity and show that a transition exists for a certain value of the parameter. The last chapter is based on a joint work with Jiangong You, Zhiyan Zhao and Qi Zhou; we get asymptotic estimates on the size of spectral gaps for quasi-periodic Schrödinger operators in the analytic case. We obtain exponential upper bounds in the subcritical regime, which strengthens a previous result due to Sana Ben Hadj Amor. In the particular case of almost Mathieu operators, we also show exponential lower bounds, which provides quantitative estimates in connection with the so-called "Dry ten Martinis problem". As consequences of our results, we show applications to the homogeneity of the spectrum of such operators, and to Deift's conjecture.

In der Z-Boson-Resonanzphysik sind mehrere Präzisionsobservablen in einem perfekten Zustand, bei dem die theoretische Unsicherheit niedriger ist als die gegenwärtige experimentelle Unsicherheit. Das Konzept für den zukünftigen Teilchenbeschleuniger Future Circular Collider (FCC), will eine Verbesserung der Messungen für die Präzisionsobservablen um ein bis zwei signifikante Stellen erreichen. Damit werden die Vorhersagen des elektroschwachen Standardmodells in eine Situation versetzt, in der vollständige Zweischleifenkorrekturen zusammen mit den führenden Dreischleifenkorrekturen obligatorisch werden. 2016 wurden die vollständigen Zweischleifenkorrekturen für den effektiven schwachen Mischungswinkel für die bottom Quarks sin^2/theta/^b_eff berechnet, indem die fehlenden bosonischen Zweischleifenkorrekturen bereitgestellt wurden. Dabei liegt die Schwierigkeit in der Berechnung der entsprechenden Zwei-Schleifen Vertex-Feynman-Integrale, die mehrere massive Teilchen einschließen. Gegenwärtig ist die analytische Rechnung der meisten dieser Integrale schwierig und deswegen werden rein numerische Techniken, mittels Sektorzerlegungsansatz und der Integralansatz nach Mellin-Barnes, angewandt. Es war bis vor kurzem nicht bekannt, wie Mellin-Barnes-Integraldarstellungen in den minkowskischen Integrationsgebieten numerisch behandelt werden können. Um dieses Problem anzugehen, stellen wir eine Vielzahl von ein- und mehrdimensionaler Techniken vor, die ein Teil des neuen Programms MBnumerics.m sind, welches in dieser Dissertation entwickelt wurde. Der Sektorzerlegungsansatz und der Integralansatz nach Mellin-Barnes sind zusammen ausreichend, um elektroschwache Zweischleifenkorrekturen für die Präzisionsobservablen der Annihilation von e^+e^- in zwei Fermionen in der Z-Bosonresonanz auszurechnen. Aktuell führt dies zu der genauesten Vorhersage für den effektiven elektroschwachen Mischungswinkel für bottom Quarks sin^2/theta/^b_eff = 0.232312. / In the Z-boson resonance physics several precision observables are in a perfect state, where the theory uncertainty is lower than the present experimental uncertainty. The ambitious concepts for the future collider, Future Circular Collider (FCC), aim for an improvement of measurements for the precision observables by one to two significant digits. This will put the Electroweak Standard Model predictions in a situation where complete two-loop corrections together with the leading three-loop corrections will become mandatory. The complete two-loop corrections for effective weak mixing angle for bottom quarks sin^2/theta/^b_eff were reported recently, by providing the missing bosonic two-loop corrections. The difficult task in this computation is the calculation of the corresponding two-loop vertex Feynman integrals which include several massive particles. At present the analytic evaluation for most of these integrals is out of reach and purely numerical techniques were applied. Only two methods, sector decomposition approach and the Mellin-Barnes integral approach, are known to extract infrared and ultraviolet singularities in a systematic way for a general Feynman integral with fully automatized algorithms. It was not known until recently how to treat Mellin-Barnes integral representations in Minkowskian regions numerically. To address this problem we introduce and discuss in detail a variety of one- and multi-dimensional techniques, which are part of a new program MBnumerics.m developed in this thesis work. Two techniques, sector decomposition and Mellin-Barnes integral approach, are together sufficient to treat electroweak two-loop corrections to the precision observables for the e^+e^- annihilation into two fermions at the Z-boson resonance. This leads to the most precise prediction at present for the effective weak mixing angle for bottom quarks: sin^2/theta/^b_eff=0.232312.

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.