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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-545344
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.54534
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 16 August 2023 |
| Referee: | Prof. Dr. Gunnar S. Bali |
| Date of exam: | 21 July 2023 |
| Institutions: | Physics > Institute of Theroretical Physics > Chair Professor Schäfer > Group Gunnar Bali |
| Keywords: | Lattice QCD, baryon structure, hyperons |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 54534 |
Abstract (English)
In the Standard Model of particle physics quarks and gluons are bound by the fundamental strong force and form particles generally denoted as hadrons. The associated quantum field theory is called Quantum Chromodynamics (QCD). The three lightest quark flavours which exist in Nature are called up, down and strange and are the constituents of, e.g., octet baryons with protons and neutrons being the ...
Abstract (English)
In the Standard Model of particle physics quarks and gluons are bound by the fundamental strong force and form particles generally denoted as hadrons. The associated quantum field theory is called Quantum Chromodynamics (QCD). The three lightest quark flavours which exist in Nature are called up, down and strange and are the constituents of, e.g., octet baryons with protons and neutrons being the most prominent examples. How physical properties like the mass or spin of hadrons arise from the quarks and gluons bound by the strong interaction is subject of many experiments and theoretical investigations. In this thesis we employ the framework of lattice QCD, which, at the moment, is the only systematic non-perturbative approach allowing us to investigate structure observables of the octet baryons from first principles. Within this framework QCD is formulated in a well defined way on a four dimensional spacetime lattice and simulations are performed using Monte Carlo techniques.
Chiral perturbation theory (ChPT) often serves as a key instrument in investigations of baryon structure observables. So far, in contrast to SU(2) ChPT, very few lattice QCD studies of SU(3) ChPT exist. In the first part of this thesis a consistent and simultaneous analysis of several observables within the framework of SU(3) ChPT is presented and we determine the leading order mesonic (B₀ and F₀) and baryonic (m₀, F and D) SU(3) ChPT low energy constants (LECs).
The baryonic LECs are obtained by a simultaneous analysis of the octet baryon mass and the axial charges for the nucleon and the sigma baryon. We found that a consistent description of the pion mass and volume dependence of the axial charges and the octet baryon mass was possible with the same set of LECs and in particular we found consistent results for F and D compared with other lattice determinations.
While there is a long history of lattice calculations of the nucleon (i.e., proton or neutron) charges, the charges for the other octet baryons are not very well determined. In the second part of this thesis we present results for the vector, axial, scalar and tensor isovector charges of the nucleon, sigma and cascade octet baryons in the infinite volume, continuum limit at physical quark masses. This analysis became feasible employing a stochastic approach which allows for a efficient computation of three-point correlation functions for the whole baryon octet. Additional sources of systematic uncertainties associated with the contributions of excited states to the ground state matrix elements and renormalization factors are carefully taken into account. Phenomenological predictions often rely on SU(3) flavour symmetry arguments. The validity of these assumptions can be tested in lattice QCD calculations where we find moderate symmetry breaking effects for the axial charges at the physical quark mass point, while no significant effects are found for the other charges within current uncertainties. Using the conserved vector current relation and the result for the scalar charge of the sigma baryon, we also predict the difference between the up and down quark masses. Further we compute the QCD contributions to baryon isospin mass splittings and evaluate the isospin breaking effects on the pion baryon sigma terms.
Translation of the abstract (German)
Im Standardmodell der Teilchenphysik sind Quarks und Gluonen durch die starke Wechselwirkung gebunden und bilden Teilchen, die allgemein als Hadronen bezeichnet werden. Die zugehörige Quantenfeldtheorie ist die Quantenchromodynamik (QCD). Die drei leichtesten Quark-Varianten, die in der Natur vorkommen, heißen Up, Down und Strange. Sie sind unter anderem die Bestandteile der Oktettbaryonen, deren ...
Translation of the abstract (German)
Im Standardmodell der Teilchenphysik sind Quarks und Gluonen durch die starke Wechselwirkung gebunden und bilden Teilchen, die allgemein als Hadronen bezeichnet werden. Die zugehörige Quantenfeldtheorie ist die Quantenchromodynamik (QCD). Die drei leichtesten Quark-Varianten, die in der Natur vorkommen, heißen Up, Down und Strange. Sie sind unter anderem die Bestandteile der Oktettbaryonen, deren bekannteste Vertreter das Proton und das Neutron sind. Die Ermittlung physikalischer Eigenschaften wie der Masse oder des Spins von Hadronen aus der starken Wechselwirkung zwischen Quarks und Gluonen ist Gegenstand zahlreicher Experimente und theoretischer Untersuchungen. In dieser Arbeit verwenden wir den Ansatz der Gitter-QCD. Dies ist der derzeit einzige nicht-störungstheoretische Ansatz, der die Untersuchung von Strukturobservablen der Oktettbaryonen auf Grundlage der Quantenfeldtheorie ermöglicht.
Im Rahmen der Gitter-QCD wird die QCD wohldefiniert auf einem vierdimensionalen Raumzeitgitter formuliert und es werden Monte-Carlo-Simulationen verwendet.
Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine konsistente und simultane Analyse mehrerer Observablen im Rahmen der SU(3) chiralen Störungstheorie vorgestellt. Hierbei wurden die führenden mesonischen (B₀ und F₀) und baryonischen (m₀ F und D) SU(3) Niedrigenergiekonstanten bestimmt.
Die Ergebnisse ermöglichten eine konsistente Beschreibung der Pionenmassen- und Volumenabhängigkeit der axialen Ladungen und der Oktettbaryonenmasse mit ebendiesen Niedrigenergiekonstanten. Insbesondere erwiesen sich die Ergebnisse für F und D als konsistent mit anderen Gitter-Bestimmungen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit werden Ergebnisse für die Vektor-, Axial-, Skalar- und Tensorladungen der Nukleonen und der Sigma- und Xi-Oktettbaryonen im Kontinuum, bei unendlichen Volumen und bei physikalischen Quarkmassen präsentiert.
Dieser Analyse lag ein stochastischer Ansatz zugrunde, der eine effiziente Berechnung von Drei-Punkt-Korrelationsfunktionen für das gesamte Baryon-Oktett erlaubt. Zusätzliche systematische Unsicherheiten, die in Verbindung mit den Beiträgen der angeregten Zustände zu den Matrixelementen und den Renormierungsfaktoren stehen, werden in der Analyse sorgfältig berücksichtigt.
Phänomenologische Vorhersagen beruhen häufig auf SU(3)-Flavour-Symmetrie-Argumenten. Die Gültigkeit dieser Annahmen kann in Gitter-QCD-Berechnungen überprüft werden. In dieser Arbeit wurden moderate Symmetrieverletzungen für die axialen Ladungen am Punkt physikalischer Quarkmassen gefunden, während für die anderen Ladungen innerhalb des derzeitigen statistischen Fehlers keine signifikanten Effekte gefunden wurden. Anhand einer Relation, die aus der Erhaltung des Vektorstroms abgeleitet wird, erlaubt das Ergebnis für die skalare Ladung des Sigma-Baryons eine Vorhersage der Differenz zwischen der Up- und der Down-Quarkmasse. Außerdem wurden die QCD-Beiträge zu den Isospin-Massenunterschieden der Baryonen und die Isospin-Korrekturen zu den Pion-Baryon-Sigma-Termen berechnet.
Metadata last modified: 16 Aug 2023 08:09
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