O (alpha 4 s) loop-by-loop contributions to heavy quark pair production in hadronic collisions

The present state of the theoretical predictions for the hadronic heavy hadron production is not quite satisfactory. The full next-to-leading order (NLO) ${cal O} (alpha_s^3)$ corrections to the hadroproduction of heavy quarks have raised the leading order (LO) ${cal O} (alpha_s^2)$ estimates but the NLO predictions are still slightly below the experimental numbers. Moreover, the theoretical NLO predictions suffer from the usual large uncertainty resulting from the freedom in the choice of renormalization and factorization scales of perturbative QCD.In this light there are hopes that a next-to-next-to-leading order (NNLO) ${cal O} (alpha_s^4)$ calculation will bring theoretical predictions even closer to the experimental data. Also, the dependence on the factorization and renormalization scales of the physical process is expected to be greatly reduced at NNLO. This would reduce the theoretical uncertainty and therefore make the comparison between theory and experiment much more significant. In this thesis I have concentrated on that part of NNLO corrections for hadronic heavy quark production where one-loop integrals contribute in the form of a loop-by-loop product. In the first part of the thesis I use dimensional regularization to calculate the ${cal O}(ep^2)$ expansion of scalar one-loop one-, two-, three- and four-point integrals. The Laurent series of the scalar integrals is needed as an input for the calculation of the one-loop matrix elements for the loop-by-loop contributions. Since each factor of the loop-by-loop product has negative powers of the dimensional regularization parameter $ep$ up to ${cal O}(ep^{-2})$, the Laurent series of the scalar integrals has to be calculated up to ${cal O}(ep^2)$. The negative powers of $ep$ are a consequence of ultraviolet and infrared/collinear (or mass ) divergences. Among the scalar integrals the four-point integrals are the most complicated. The ${cal O}(ep^2)$ expansion of the three- and four-point integrals contains in general classical polylogarithms up to ${rm Li}_4$ and $L$-functions related to multiple polylogarithms of maximal weight and depth four. All results for the scalar integrals are also available in electronic form. In the second part of the thesis I discuss the properties of the classical polylogarithms. I present the algorithms which allow one to reduce the number of the polylogarithms in an expression. I derive identities for the $L$-functions which have been intensively used in order to reduce the length of the final results for the scalar integrals. I also discuss the properties of multiple polylogarithms. I derive identities to express the $L$-functions in terms of multiple polylogarithms. In the third part I investigate the numerical efficiency of the results for the scalar integrals. The dependence of the evaluation time on the relative error is discussed. In the forth part of the thesis I present the larger part of the ${cal O}(ep^2)$ results on one-loop matrix elements in heavy flavor hadroproduction containing the full spin information. The ${cal O}(ep^2)$ terms arise as a combination of the ${cal O}(ep^2)$ results for the scalar integrals, the spin algebra and the Passarino-Veltman decomposition. The one-loop matrix elements will be needed as input in the determination of the loop-by-loop part of NNLO for the hadronic heavy flavor production.

Polarization in heavy quark decays

In this thesis I concentrate on the angular correlations in top quark decays and their next--to--leading order (NLO) QCD corrections. I also discuss the leading--order (LO) angular correlations in unpolarized and polarized hyperon decays. In the first part of the thesis I calculate the angular correlation between the top quark spin and the momentum of decay products in the rest frame decay of a polarized top quark into a charged Higgs boson and a bottom quark in Two-Higgs-Doublet-Models: $t(uparrow)rightarrow b+H^{+}$. The decay rate in this process is split into an angular independent part (unpolarized) and an angular dependent part (polar correlation). I provide closed form formulae for the ${mathcal O}(alpha_{s})$ radiative corrections to the unpolarized and the polar correlation functions for $m_{b}neq 0$ and $m_{b}=0$. The results for the unpolarized rate agree with the existing results in the literature. The results for the polarized correlations are new. I found that, for certain values of $tanbeta$, the ${mathcal O}(alpha_s)$ radiative corrections to the unpolarized, polarized rates, and the asymmetry parameter can become quite large. In the second part I concentrate on the semileptonic rest frame decay of a polarized top quark into a bottom quark and a lepton pair: $t(uparrow) to X_b + ell^+ + nu_ell$. I analyze the angular correlations between the top quark spin and the momenta of the decay products in two different helicity coordinate systems: system 1a with the $z$--axis along the charged lepton momentum, and system 3a with the $z$--axis along the neutrino momentum. The decay rate then splits into an angular independent part (unpolarized), a polar angle dependent part (polar correlation) and an azimuthal angle dependent part (azimuthal correlation). I present closed form expressions for the ${mathcal O}(alpha_{s})$ radiative corrections to the unpolarized part and the polar and azimuthal correlations in system 1a and 3a for $m_{b}neq 0$ and $m_{b}=0$. For the unpolarized part and the polar correlation I agree with existing results. My results for the azimuthal correlations are new. In system 1a I found that the azimuthal correlation vanishes in the leading order as a consequence of the $(V-A)$ nature of the Standard Model current. The ${mathcal O}(alpha_{s})$ radiative corrections to the azimuthal correlation in system 1a are very small (around 0.24% relative to the unpolarized LO rate). In system 3a the azimuthal correlation does not vanish at LO. The ${mathcal O}(alpha_{s})$ radiative corrections decreases the LO azimuthal asymmetry by around 1%. In the last part I turn to the angular distribution in semileptonic hyperon decays. Using the helicity method I derive complete formulas for the leading order joint angular decay distributions occurring in semileptonic hyperon decays including lepton mass and polarization effects. Compared to the traditional covariant calculation the helicity method allows one to organize the calculation of the angular decay distributions in a very compact and efficient way. This is demonstrated by the specific example of the polarized hyperon decay $Xi^0(uparrow) to Sigma^+ + l^- + bar{nu}_l$ ,($l^-=e^-, mu^-$) followed by the nonleptonic decay $Sigma^+ to p + pi^0$, which is described by a five--fold angular decay distribution.

Deeply virtual Compton scattering in a relativistic quark model

This thesis is mainly concerned with a model calculation for generalized parton distributions (GPDs). We calculate vectorial- and axial GPDs for the N N and N Delta transition in the framework of a light front quark model. This requires the elaboration of a connection between transition amplitudes and GPDs. We provide the first quark model calculations for N Delta GPDs. The examination of transition amplitudes leads to various model independent consistency relations. These relations are not exactly obeyed by our model calculation since the use of the impulse approximation in the light front quark model leads to a violation of Poincare covariance. We explore the impact of this covariance breaking on the GPDs and form factors which we determine in our model calculation and find large effects. The reference frame dependence of our results which originates from the breaking of Poincare covariance can be eliminated by introducing spurious covariants. We extend this formalism in order to obtain frame independent results from our transition amplitudes.

Top-quark pair production at hadron colliders

In this thesis we investigate several phenomenologically important properties of top-quark pair production at hadron colliders. We calculate double differential cross sections in two different kinematical setups, pair invariant-mass (PIM) and single-particle inclusive (1PI) kinematics. In pair invariant-mass kinematics we are able to present results for the double differential cross section with respect to the invariant mass of the top-quark pair and the top-quark scattering angle. Working in the threshold region, where the pair invariant mass M is close to the partonic center-of-mass energy sqrt{hat{s}}, we are able to factorize the partonic cross section into different energy regions. We use renormalization-group (RG) methods to resum large threshold logarithms to next-to-next-to-leading-logarithmic (NNLL) accuracy. On a technical level this is done using effective field theories, such as heavy-quark effective theory (HQET) and soft-collinear effective theory (SCET). The same techniques are applied when working in 1PI kinematics, leading to a calculation of the double differential cross section with respect to transverse-momentum pT and the rapidity of the top quark. We restrict the phase-space such that only soft emission of gluons is possible, and perform a NNLL resummation of threshold logarithms. The obtained analytical expressions enable us to precisely predict several observables, and a substantial part of this thesis is devoted to their detailed phenomenological analysis. Matching our results in the threshold regions to the exact ones at next-to-leading order (NLO) in fixed-order perturbation theory, allows us to make predictions at NLO+NNLL order in RG-improved, and at approximate next-to-next-to-leading order (NNLO) in fixed order perturbation theory. We give numerical results for the invariant mass distribution of the top-quark pair, and for the top-quark transverse-momentum and rapidity spectrum. We predict the total cross section, separately for both kinematics. Using these results, we analyze subleading contributions to the total cross section in 1PI and PIM originating from power corrections to the leading terms in the threshold expansions, and compare them to previous approaches. We later combine our PIM and 1PI results for the total cross section, this way eliminating uncertainties due to these corrections. The combined predictions for the total cross section are presented as a function of the top-quark mass in the pole, the minimal-subtraction (MS), and the 1S mass scheme. In addition, we calculate the forward-backward (FB) asymmetry at the Tevatron in the laboratory, and in the ttbar rest frames as a function of the rapidity and the invariant mass of the top-quark pair at NLO+NNLL. We also give binned results for the asymmetry as a function of the invariant mass and the rapidity difference of the ttbar pair, and compare those to recent measurements. As a last application we calculate the charge asymmetry at the LHC as a function of a lower rapidity cut-off for the top and anti-top quarks.

Hadronic correlation functions with quark-disconnected contributions in lattice QCD

One of the fundamental interactions in the Standard Model of particle physicsrnis the strong force, which can be formulated as a non-abelian gauge theoryrncalled Quantum Chromodynamics (QCD). rnIn the low-energy regime, where the QCD coupling becomes strong and quarksrnand gluons are confined to hadrons, a perturbativernexpansion in the coupling constant is not possible.rnHowever, the introduction of a four-dimensional Euclidean space-timernlattice allows for an textit{ab initio} treatment of QCD and provides arnpowerful tool to study the low-energy dynamics of hadrons.rnSome hadronic matrix elements of interest receive contributionsrnfrom diagrams including quark-disconnected loops, i.e. disconnected quarkrnlines from one lattice point back to the same point. The calculation of suchrnquark loops is computationally very demanding, because it requires knowledge ofrnthe all-to-all propagator. In this thesis we use stochastic sources and arnhopping parameter expansion to estimate such propagators.rnWe apply this technique to study two problems which relay crucially on therncalculation of quark-disconnected diagrams, namely the scalar form factor ofrnthe pion and the hadronic vacuum polarization contribution to the anomalousrnmagnet moment of the muon.rnThe scalar form factor of the pion describes the coupling of a charged pion torna scalar particle. We calculate the connected and the disconnected contributionrnto the scalar form factor for three different momentum transfers. The scalarrnradius of the pion is extracted from the momentum dependence of the form factor.rnThe use ofrnseveral different pion masses and lattice spacings allows for an extrapolationrnto the physical point. The chiral extrapolation is done using chiralrnperturbation theory ($chi$PT). We find that our pion mass dependence of thernscalar radius is consistent with $chi$PT at next-to-leading order.rnAdditionally, we are able to extract the low energy constant $ell_4$ from thernextrapolation, and ourrnresult is in agreement with results from other lattice determinations.rnFurthermore, our result for the scalar pion radius at the physical point isrnconsistent with a value that was extracted from $pipi$-scattering data. rnThe hadronic vacuum polarization (HVP) is the leading-order hadronicrncontribution to the anomalous magnetic moment $a_mu$ of the muon. The HVP canrnbe estimated from the correlation of two vector currents in the time-momentumrnrepresentation. We explicitly calculate the corresponding disconnectedrncontribution to the vector correlator. We find that the disconnectedrncontribution is consistent with zero within its statistical errors. This resultrncan be converted into an upper limit for the maximum contribution of therndisconnected diagram to $a_mu$ by using the expected time-dependence of therncorrelator and comparing it to the corresponding connected contribution. Wernfind the disconnected contribution to be smaller than $approx5%$ of thernconnected one. This value can be used as an estimate for a systematic errorrnthat arises from neglecting the disconnected contribution.rn

Strahlungsbegleitete Pion-Photoproduktion am Proton

Im Jahre 1997 wurden von Tatischeff et al. bei der Reaktion p p -> X p pi+ resonanzartige Zustände im Spektrum der invarianten Masse des fehlenden Nukleons X bei M = 1004, 1044 und 1094 MeV gefunden. In einem zweiten Experiment von Filkov et al. beobachtete man bei der Reaktion p d -> p p X Resonanzstrukturen bei M = 966, 986 und 1003 MeV. Solche exotischen Resonanzen widersprechen etablierten Nukleonenmodellen, die die Delta(1232)-Resonanz als ersten Anregungszustand beschreiben. Zur Deutung der beobachteten Strukturen wurden Quarkcluster-Modelle mit und ohne Farb-Magnet-Wechselwirkungen entwickelt. Lvov et al. zweifelten die experimentellen Ergebnisse an, da keine Strukturen in den Daten zur reellen Comptonstreuung gefunden wurden. Als Gegenargument wurde von Kobushkin vorgeschlagen, dass diese Resonanzen eine total-antisymmetrische Spin-Flavour-Wellenfunktion haben und nur der N-2Gamma-Zerfall erlaubt wäre. In dieser Arbeit wurde die Reaktion g p -> X pi+ -> n g g pi+ zur Suche nach diesen exotischen Resonanzen verwendet. Die Daten wurden parallel zur Messung der Pion-Polarisierbarkeiten am Mainzer Beschleuniger MAMI genommen. Durch Bremsstrahlung der Elektronen an einer Radiatorfolie wurden reelle Photonen erzeugt, deren Energie von der A2-Photonenmarkierungsanlage (Glasgow-Tagger) bestimmt wurde. Als Protontarget wurde ein 10 cm langes Flüssigwasserstoff-Target verwendet. Geladene Reaktionsprodukte wurden unter Vorwärtswinkeln Theta < 20 Grad bezüglich der Strahlachse in einer Vieldraht-Proportionalkammer nachgewiesen, während Photonen im Spektrometer TAPS mit 526 BaF2-Kristallen unter Polarwinkeln Theta > 60 Grad detektiert wurden. Zum Nachweis von Neutronen stand ein Flugzeitdetektor mit insgesamt 111 Einzelmodulen zur Verfügung. Zum Test der Analysesoftware und des experimentellen Aufbaus wurden zusätzlich die Reaktionskanäle g p -> p pi0 und g p -> n pi0 pi+ ausgewertet. Für die Ein-Pion-Produktion wurden differentielle Wirkungsquerschnitte unter Rückwärtswinkeln bestimmt und mit theoretischen Modellen und experimentellen Werten verglichen. Für den Kanal g p -> n pi0 pi+ wurden Spektren invarianter Massen für verschiedene Teilchenkombinationen ermittelt und mit einer Simulation verglichen. Die Daten legen nahe, dass die Reaktion hauptsächlich über eine Anregung der Delta0(1232)-Resonanz verläuft. Bei der Suche nach exotischen Resonanzen wurden keine statistisch signifikanten Strukturen gefunden. Es wurden Obergrenzen für den differentiellen Wirkungsquerschnitt ermittelt.

QCD-Strahlungskorrekturen zu Polarisationsobservablen in semileptonischen Zerfällen schwerer Quarks

In dieser Arbeit werden die QCD-Strahlungskorrekturen in erster Ordnung der starken Kopplungskonstanten für verschiedene Polarisationsobservablen zu semileptonischen Zerfällen eines bottom-Quarks in ein charm-Quark und ein Leptonpaar berechnet. Im ersten Teil wird der Zerfall eines unpolarisierten b-Quarks in ein polarisiertes c-Quark sowie ein geladenes Lepton und ein Antineutrino im Ruhesystem des b-Quarks analysiert. Es werden die Strahlungskorrekturen für den unpolarisierten und den polarisierten Beitrag zur differentiellen Zerfallsrate nach der Energie des c-Quarks berechnet, wobei das geladene Lepton als leicht angesehen und seine Masse daher vernachlässigt wird. Die inklusive differentielle Rate wird durch zwei Strukturfunktionen in analytischer Form dargestellt. Anschließend werden die Strukturfunktionen und die Polarisation des c-Quarks numerisch ausgewertet. Nach der Einführung der Helizitäts-Projektoren befaßt sich der zweite Teil mit dem kaskadenartigen Zerfall eines polarisierten b-Quarks in ein unpolarisiertes c-Quark und ein virtuelles W-Boson, welches weiter in ein Paar leichter Leptonen zerfällt. Es werden die inklusiven Strahlungskorrekturen zu drei unpolarisierten und fünf polarisierten Helizitäts-Strukturfunktionen in analytischer Form berechnet, welche die Winkelverteilung für die differentielle Zerfallsrate nach dem Viererimpulsquadrat des W-Bosons beschreiben. Die Strukturfunktionen enthalten die Informationen sowohl über die polare Winkelverteilung zwischen dem Spinvektor des b-Quarks und dem Impulsvektor des W-Bosons als auch über die räumliche Winkelverteilung zwischen den Impulsen des W-Bosons und des Leptonpaars. Der Impuls und der Spinvektor des b-Quarks sowie der Impuls des W-Bosons werden im b-Ruhesystem analysiert, während die Impulse des Leptonpaars im W-Ruhesystem ausgewertet werden. Zusätzlich zu den genannten Strukturfunktionen werden noch die unpolarisierte und die polarisierte skalare Strukturfunktion angegeben, die in Anwendungen bei hadronischen Zerfällen eine Rolle spielen. Anschließend folgt eine numerische Auswertung aller berechneten Strukturfunktionen. Im dritten Teil werden die nichtperturbativen HQET-Korrekturen zu inklusiven semileptonischen Zerfällen schwerer Hadronen diskutiert, welche ein b-Quark enthalten. Sie beschreiben hadronische Korrekturen, die durch die feste Bindung des b-Quarks in Hadronen hervorgerufen werden. Es werden insgesamt fünf unpolarisierte und neun polarisierte Helizitäts-Strukturfunktionen in analytischer Form angegeben, die auch eine endliche Masse und den Spin des geladenen Leptons berücksichtigen. Die Strukturfunktionen werden sowohl in differentieller Form in Abhängigkeit des quadrierten Viererimpulses des W-Bosons als auch in integrierter Form präsentiert. Zum Schluß werden die zuvor erhaltenen Resultate auf die semi-inklusiven hadronischen Zerfälle eines polarisierten Lambda_b-Baryons oder eines B-Mesons in ein D_s- oder ein D_s^*-Meson unter Berücksichtigung der D_s^*-Polarisation angewandt. Für die zugehörigen Winkelverteilungen werden die inklusiven QCD- und die nichtperturbativen HQET-Korrekturen zu den Helizitäts-Strukturfunktionen in analytischer Form angegeben und anschließend numerisch ausgewertet.

Einzelspin-Asymmetrien in der elastischen Elektron-Proton-Streuung und die Beiträge der Strange-Quarks zu den Formfaktoren des Nukleons

Die A4-Kollaboration am Mainzer Mikrotron MAMI erforscht die Struktur des Protons mit Hilfe der elastischen Streuung polarisierter Elektronen an unpolarisiertem Wasserstoff. Bei longitudinaler Polarisation wird eine paritätsverletzende Asymmetrie im Wirkungsquerschnitt gemessen, die Aufschluß über den Beitrag der Strangeness zu den Vektor-Formfaktoren des Protons gibt. Bei transversaler Polarisation treten azimutale Asymmetrien auf, die auf Beiträge des Zwei-Photon-Austauschs zum Wirkungsquerschnitt zurückzuführen sind und den Zugriff auf den Imaginärteil der Zwei-Photon-Amplitude ermöglichen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Messungen bei zwei Impulsüberträgen und jeweils Longitudinal- und Transversalpolarisation durchgeführt und analysiert. Im Vordergrund standen die Extraktion der Rohasymmetrien aus den Daten, die Korrekturen der Rohasymmetrien auf apparative Asymmetrien, die Abschätzung des systematischen Fehlers und die Bestimmung der Strange-Formfaktoren aus den paritätsverletzenden Asymmetrien. Bei den Messungen mit Longitudinalpolarisation wurden die Asymmetrien zu A=(-5.59 +- 0.57stat +- 0.29syst)ppm bei Q^2=0.23 (GeV/c)^2 und A=(-1.39 +- 0.29stat +- 0.12syst)ppm bei Q^2=0.11(GeV/c)^2 bestimmt. Daraus lassen sich die Linearkombinationen der Strange-Formfaktoren zu GEs+0.225GMs= 0.029 +- 0.034 bzw. GEs+0.106GMs=0.070+-0.035 ermitteln. Die beiden Resultate stehen in Übereinstimmung mit anderen Experimenten und deuten darauf hin, daß es einen nichtverschwindenden Strangeness-Beitrag zu den Formfaktoren gibt. Bei den Messungen mit Transversalpolarisation wurden die azimutalen Asymmetrien zu A=(-8.51 +- 2.31stat +-0.89syst)ppm bei E=855 MeV und Q^2=0.23(GeV/c)^2 und zu A=(-8.59 +- 0.89stat +- 0.83syst)ppm bei E=569 MeV und Q^2=0.11(GeV/c)^2 bestimmt. Die Größe der gemessenen Asymmetrien belegt, daß beim Zwei-Photon-Austausch neben dem Grundzustand des Protons vor allem auch angeregte Zwischenzustände einen wesentlichen Beitrag liefern.

Measurement of the K + - pi + pi - e + - (-) v e form factors and of the pi pi scattering length a 0 0

The quark condensate is a fundamental free parameter of Chiral Perturbation Theory ($chi PT$), since it determines the relative size of the mass and momentum terms in the power expansion. In order to confirm or contradict the assumption of a large quark condensate, on which $chi PT$ is based, experimental tests are needed. In particular, the $S$-wave $pipi$ scattering lengths $a_0^0$ and $a_0^2$ can be predicted precisely within $chi PT$ as a function of this parameter and can be measured very cleanly in the decay $K^{pm} to pi^{+} pi^{-} e^{pm} stackrel{mbox{tiny(---)}}{nu_e}$ ($K_{e4}$). About one third of the data collected in 2003 and 2004 by the NA48/2 experiment were analysed and 342,859 $K_{e4}$ candidates were selected. The background contamination in the sample could be reduced down to 0.3% and it could be estimated directly from the data, by selecting events with the same signature as $K_{e4}$, but requiring for the electron the opposite charge with respect to the kaon, the so-called ``wrong sign'' events. This is a clean background sample, since the kaon decay with $Delta S=-Delta Q$, that would be the only source of signal, can only take place through two weak decays and is therefore strongly suppressed. The Cabibbo-Maksymowicz variables, used to describe the kinematics of the decay, were computed under the assumption of a fixed kaon momentum of 60 GeV/$c$ along the $z$ axis, so that the neutrino momentum could be obtained without ambiguity. The measurement of the form factors and of the $pipi$ scattering length $a_0^0$ was performed in a single step by comparing the five-dimensional distributions of data and MC in the kinematic variables. The MC distributions were corrected in order to properly take into account the trigger and selection efficiencies of the data and the background contamination. The following parameter values were obtained from a binned maximum likelihood fit, where $a_0^2$ was expressed as a function of $a_0^0$ according to the prediction of chiral perturbation theory: f'_s/f_s = 0.133+- 0.013(stat)+- 0.026(syst) f''_s/f_s = -0.041+- 0.013(stat)+- 0.020(syst) f_e/f_s = 0.221+- 0.051(stat)+- 0.105(syst) f'_e/f_s = -0.459+- 0.170(stat)+- 0.316(syst) tilde{f_p}/f_s = -0.112+- 0.013(stat)+- 0.023(syst) g_p/f_s = 0.892+- 0.012(stat)+- 0.025(syst) g'_p/f_s = 0.114+- 0.015(stat)+- 0.022(syst) h_p/f_s = -0.380+- 0.028(stat)+- 0.050(syst) a_0^0 = 0.246+- 0.009(stat)+- 0.012(syst)}+- 0.002(theor), where the statistical uncertainty only includes the effect of the data statistics and the theoretical uncertainty is due to the width of the allowed band for $a_0^2$.

Messung der B s-Oszillation mit dem semileptonischen Zerfall B 0 s D - s (phi pi -) my + ny my mit dem D0-Detektor

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik beschreibt sehr präzise die fundamentalen Bausteine und deren Wechselwirkungen (WW). Trotz des Erfolges gibt es noch offene Fragen, die vom SM nicht beantwortet werden können. Ein noch noch nicht abgeschlossener Test besteht aus der Messung der Stärke der schwachen Kopplung zwischen Quarks. Neutrale B- bzw. $bar{B}$-Mesonen können sich innerhalb ihrer Lebensdauer über einen Prozeß der schwachen WW in ihr Antiteilchen transformieren. Durch die Messung der Bs-Oszillation kann die Kopplung Vtd zwischen den Quarksorten Top (t) und Down (d) bestimmt werden. Alle bis Ende 2005 durchgeführten Experimente lieferten lediglich eine untere Grenze für die Oszillationsfrequenz von ms>14,4ps-1. Die vorliegenden Arbeit beschreibt die Messung der Bs-Oszillationsfrequenz ms mit dem semileptonischen Kanal BsD(-)+. Die verwendeten Daten stammen aus Proton-Antiproton-Kollisionen, die im Zeitraum von April 2002 bis März 2006 mit dem DØ-Detektor am Tevatron-Beschleuniger des Fermi National Accelerator Laboratory bei einer Schwerpunktsenergie von $sqrt{s}$=1,96TeV aufgezeichnet wurden. Die verwendeten Datensätze entsprechen einer integrierten Luminosität von 1,3fb-1 (620 millionen Ereignisse). Für diese Oszillationsmessung wurde der Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit der Produktion sowie des Zerfalls bestimmt und die Zerfallszeit wurde gemessen. Nach der Rekonstruktion und Selektion der Signalereignisse legt die Ladung des Myons den Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit des Zerfalls fest. Zusätzlich wurde der Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit der Produktion markiert. b-Quarks werden in $pbar{p}$-Kollisionen paarweise produziert. Die Zerfallsprodukte des zweiten b-Hadrons legen den Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit der Produktion fest. Bei einer Sensitivität von msenss=14,5ps-1 wurde eine untere Grenze für die Oszillationsfrequenz ms>15,5ps-1 bestimmt. Die Maximum-Likelihood-Methode lieferte eine Oszillationsfrequenz ms>(20+2,5-3,0(stat+syst)0,8(syst,k))ps-1 bei einem Vertrauensniveau von 90%. Der nicht nachgewiesene Neutrinoimpuls führt zu dem systematischen Fehler (sys,k). Dieses Resultat ergibt zusammen mit der entsprechenden Oszillation des Bd-Mesons eine signifikante Messung der Kopplung Vtd, in Übereinstimmung mit weiteren Experimenten über die schwachen Quarkkopplungen.

Renormalization of fermion mixing

Precision measurements of phenomena related to fermion mixing require the inclusion of higher order corrections in the calculation of corresponding theoretical predictions. For this, a complete renormalization scheme for models that allow for fermion mixing is highly required. The correct treatment of unstable particles makes this task difficult and yet, no satisfactory and general solution can be found in the literature. In the present work, we study the renormalization of the fermion Lagrange density with Dirac and Majorana particles in models that involve mixing. The first part of the thesis provides a general renormalization prescription for the Lagrangian, while the second one is an application to specific models. In a general framework, using the on-shell renormalization scheme, we identify the physical mass and the decay width of a fermion from its full propagator. The so-called wave function renormalization constants are determined such that the subtracted propagator is diagonal on-shell. As a consequence of absorptive parts in the self-energy, the constants that are supposed to renormalize the incoming fermion and the outgoing antifermion are different from the ones that should renormalize the outgoing fermion and the incoming antifermion and not related by hermiticity, as desired. Instead of defining field renormalization constants identical to the wave function renormalization ones, we differentiate the two by a set of finite constants. Using the additional freedom offered by this finite difference, we investigate the possibility of defining field renormalization constants related by hermiticity. We show that for Dirac fermions, unless the model has very special features, the hermiticity condition leads to ill-defined matrix elements due to self-energy corrections of external legs. In the case of Majorana fermions, the constraints for the model are less restrictive. Here one might have a better chance to define field renormalization constants related by hermiticity. After analysing the complete renormalized Lagrangian in a general theory including vector and scalar bosons with arbitrary renormalizable interactions, we consider two specific models: quark mixing in the electroweak Standard Model and mixing of Majorana neutrinos in the seesaw mechanism. A counter term for fermion mixing matrices can not be fixed by only taking into account self-energy corrections or fermion field renormalization constants. The presence of unstable particles in the theory can lead to a non-unitary renormalized mixing matrix or to a gauge parameter dependence in its counter term. Therefore, we propose to determine the mixing matrix counter term by fixing the complete correction terms for a physical process to experimental measurements. As an example, we calculate the decay rate of a top quark and of a heavy neutrino. We provide in each of the chosen models sample calculations that can be easily extended to other theories.

Virtual Compton scattering in baryon chiral perturbation theory

This thesis is concerned with the calculation of virtual Compton scattering (VCS) in manifestly Lorentz-invariant baryon chiral perturbation theory to fourth order in the momentum and quark-mass expansion. In the one-photon-exchange approximation, the VCS process is experimentally accessible in photon electro-production and has been measured at the MAMI facility in Mainz, at MIT-Bates, and at Jefferson Lab. Through VCS one gains new information on the nucleon structure beyond its static properties, such as charge, magnetic moments, or form factors. The nucleon response to an incident electromagnetic field is parameterized in terms of 2 spin-independent (scalar) and 4 spin-dependent (vector) generalized polarizabilities (GP). In analogy to classical electrodynamics the two scalar GPs represent the induced electric and magnetic dipole polarizability of a medium. For the vector GPs, a classical interpretation is less straightforward. They are derived from a multipole expansion of the VCS amplitude. This thesis describes the first calculation of all GPs within the framework of manifestly Lorentz-invariant baryon chiral perturbation theory. Because of the comparatively large number of diagrams - 100 one-loop diagrams need to be calculated - several computer programs were developed dealing with different aspects of Feynman diagram calculations. One can distinguish between two areas of development, the first concerning the algebraic manipulations of large expressions, and the second dealing with numerical instabilities in the calculation of one-loop integrals. In this thesis we describe our approach using Mathematica and FORM for algebraic tasks, and C for the numerical evaluations. We use our results for real Compton scattering to fix the two unknown low-energy constants emerging at fourth order. Furthermore, we present the results for the differential cross sections and the generalized polarizabilities of VCS off the proton.

Messung der Zerfallsasymmetrien der radiativen Hyperonzerfälle Xi 0 Lambda gamma und Xi 0 Sigma 0 gamma mit dem NA48/1-Experiment

Der radiative Zerfall eines Hyperons in ein leichteres Hyperon und ein Photon erlaubt eine Untersuchung der Struktur der elektroschwachen Wechselwirkung von Hadronen. Dazu wird die Zerfallsasymmetrie $alpha$ betrachtet. Sie beschreibt die Verteilung des Tochterhyperons bezüglich der Polarisation $vec{P}$ des Mutterhyperons mit $dN / d cos(Theta) propto 1 + alpha |vec{P}| cos(Theta)$, wobei $Theta$ der Winkel zwischen $vec{P}$ und dem Impuls des Tochterhyperons ist. Von besonderem Interesse ist der radiative Zerfall $Xi^0 to Lambda gamma$, für den alle Rechnungen auf Quarkniveau eine positive Asymmetrie vorhersagen, wohingegen bisher eine negative Asymmetrie von $alpha_{Lambda gamma} = -0,73 +- 0,17$ gemessen wurde. Ziel dieser Arbeit war es, die bisherigen Messungen zu überprüfen und die Asymmetrie mit einer deutlich höheren Präzision zu bestimmen. Ferner wurden die Zerfallsasymmetrie des radiativen Zerfalls $Xi^0 to Sigma^0 gamma$ ermittelt und zum Test der angewandten Analysemethode der gut bekannte Zerfall $Xi^0 to Lambda pi^0$ herangezogen. Während der Datennahme im Jahr 2002 zeichnete das NA48/1-Experiment am CERN gezielt seltene $K_S$- und Hyperonzerfälle auf. Damit konnte der weltweit größte Datensatz an $Xi^0$-Zerfällen gewonnen werden, aus dem etwa 52.000 $Xi^0 to Lambda gamma$-Zerfälle, 15.000 $Xi^0 to Sigma^0 gamma$-Zerfälle und 4 Mill. $Xi^0 to Lambda pi^0$-Zerfälle mit nur geringem Untergrund extrahiert wurden. Ebenso wurden die entsprechenden $antiXi$-Zerfälle mit etwa einem Zehntel der obigen Ereigniszahlen registriert. Die Bestimmung der Zerfallsasymmetrien erfolgte durch den Vergleich der gemessene Daten mit einer detaillierten Detektorsimulation und führte zu den folgenden Resultaten dieser Arbeit: $alpha_{Lambda gamma} = -0,701 +- 0,019_{stat} +- 0,064_{sys}$, $alpha_{Sigma^0 gamma} = -0,683 +- 0,032_{stat} +- 0,077_{sys}$, $alpha_{Lambda pi^0} = -0,439 +- 0,002_{stat} +- 0,056_{sys}$, $alpha_{antiLambda gamma} = 0,772 +- 0,064_{stat} +- 0,066_{sys}$, $alpha_{antiSigma^0 gamma} = 0,811 +- 0,103_{stat} +- 0,135_{sys}$, $alpha_{antiLambda pi^0} = 0,451 +- 0,005_{stat} +- 0,057_{sys}$. Somit konnte die Unsicherheit der $Xi^0 to Lambda gamma$-Zerfallsasymmetrie auf etwa ein Drittel reduziert werden. Ihr negatives Vorzeichen und damit der Widerspruch zu den Vorhersagen der Quarkmodellrechnungen ist so zweifelsfrei bestätigt. Mit den zum ersten Mal gemessenen $antiXi$-Asymmetrien konnten zusätzlich Grenzen auf eine mögliche CP-Verletzung in den $Xi^0$-Zerfällen, die $alpha_{Xi^0} neq -alpha_{antiXi}$ zur Folge hätte, bestimmt werden.

Untergrundstudien zur Messung der Strangeness-Vektorformfaktoren des Protons durch paritätsverletzende Elektronenstreuung unter Rückwärtswinkeln

Im Rahmen des A4-Experiments werden die Beiträge des Strange-Quarks zu den elektromagnetischen Formfaktoren des Protons gemessen. Solche Seequarkeffekte bei Niederenergieobservablen sind für das Verständnis der Hadronenstruktur wichtig, denn sie stellen eine direkte Manifestation der QCD-Freiheitsgrade im nichtperturbativen Bereich dar.rnrnLinearkombinationen der Strangeness-Vektorformfaktoren des Protons $G_E^s$ und $G_M^s$ sind experimentell über die Messung der paritätsverletzenden Asymmetrie im Wirkungsquerschnitt der elastischen Streuung longitudinal polarisierter Elektronen an unpolarisierten Nukleonen zugänglich. Vor dieser Arbeit hatte die A4-Kollaboration zwei solche Messungen unter Vorwärtsstreuwinkeln bei den Viererimpulsübertägen $Q^2$ von jeweils 0.23 und 0.10 (GeV/c)$^2$ veröffentlicht. Um die Separation von $G_E^s$ und $G_M^s$ beim höheren $Q^2$-Wert zu erhalten, wurde eine Messung unter Rückwärtswinkeln mit der Strahlenergie von 315 MeV durchgeführt.rnrnIm A4-Experiment werden die an einem Flüssigwasserstoff-Target gestreuten Elektronen eines longitudinal polarisierten Strahls mit einem Cherenkov-Kalorimeter einzeln gezählt. Durch die kalorimetrische Energiemessung erfolgt die Trennung der elastischen von den inelastischen Ereignissen. Bei Rückwärtswinkeln wurde dieses Apparat mit einem Szintillator als Elektronentagger erweitert, um den $\gamma$-Untergrund aus dem $\pi^0$-Zerfall zu unterdrücken.rnrnUm die Auswertung dieser Messung zu ermöglichen, wurden im Rahmen dieser Arbeit die gemessenen Energiespektren anhand von ausführlichen Simulationen der Streuprozesse und des Antwortverhaltens der Detektoren untersucht, und eine Methode zur Behandlung des restlichen Untergrunds aus der $\gamma$-Konversionrnvor dem Szintillator entwickelt. Die Simulationergebnisse sind auf dem 5%-Niveau mit den Messungen verträglich, und es wurde bewiesen, dass die Methode der Untergrundbehandlung anwendbar ist.rnrnDie Asymmetriemessung bei Rückwärtswinkeln, die man nach Anwendung der hier erarbeiteten Untergrundbehandlung erhält, wurde für die Separation von $G_E^s$ und $G_M^s$ bei $Q^2$=0.22 (GeV/c)^2 mit der Vorwärtswinkelmessung beim selbenrn$Q^2$ kombiniert. Es ergeben sich die Werte:rnrn$G_M^s$= -0.14 ± 0.11_{exp} ± 0.11_{theo} undrn$G_E^s$= 0.050 ± 0.038_{exp} ± 0.019_{theo}, rnrnwobei die systematische Unsicherheit wegen der Untergrundbehandlung im experimentellen Fehler enthalten ist. Am Ende der Arbeit werden die aus diesen Resultaten folgenden Rückschlüsse auf den Einfluss der Strangeness auf die statischen elektromagnetischen Eigenschaften des Protons diskutiert.rn

Bestimmung der Analysierstärke des A4-Compton-Rückstreupolarimeters zur Messung der longitudinalen Spinpolarisation des MAMI-Elektronenstrahls

Das A4-Experiment bestimmt den Beitrag der Strangequarks zu den elektromagnetischen Formfaktoren des Nukleons durch Messung der Paritätsverletzung in der elastischen Elektron-Nukleon-Streuung. Diese Messungen werden mit dem spinpolarisierten Elektronenstrahl des Mainzer Mikrotrons (MAMI) bei Strahlenergien zwischen 315 und 1508 MeV ndurchgeführt. Die Bestimmung des Strahlpolarisationsgrades ist für die Analyse der Daten unerläßlich, um die physikalische Asymmetrie aus der gemessenen paritätsverletzenden Asymmetrie extrahieren zu können. Aus diesem Grund wird von der A4-Kollaboration ein neuartiges Compton-Laserrückstreupolarimeter entwickelt, das eine zerstörungsfreie Messung der Strahlpolarisation, parallel zum laufenden Paritätsexperiment erlaubt. Um den zuverlässigen Dauerbetrieb des Polarimeters zu ermöglichen, wurde das Polarimeter im Rahmen dieser Arbeit weiterentwickelt. Das Datenerfassungssystem für Photonen- und Elektronendetektor wurde neu aufgebaut und im Hinblick auf die Verarbeitung hoher Raten optimiert. Zum Nachweis der rückgestreuten Photonen wurde ein neuartiger Detektor (LYSO) in Betrieb genommen. Darüber hinaus wurden GEANT4-Simulationen der Detektoren durchgeführt und eine Analyseumgebung für die Extraktion von Comptonasymmetrien aus den Rückstreudaten entwickelt. Das Analyseverfahren nutzt die Möglichkeit, die rückgestreuten Photonen durch koinzidente Detektion der gestreuten Elektronen energiemarkiert nachzuweisen (Tagging). Durch die von der Energiemarkierung eingeführte differentielle Energieskala wird somit eine präzise Bestimmung der Analysierstärke möglich. In der vorliegenden Arbeit wurde die Analysierstärke des Polarimeters bestimmt, so daß nun das Produkt von Elektronen- und Laserstrahlpolarisation bei einem Strahlstrom von 20 muA, parallel zum laufenden Paritätsexperiment, mit einer statistischen Genauigkeit von 1% in 24 Stunden bei 855 MeV bzw. <1% in 12 Stunden bei 1508 MeV gemessen werden kann. In Kombination mit der Bestimmung der Laserpolarisation in einer parallelen Arbeit (Y. Imai) auf 1% kann die statistische Unsicherheit der Strahlpolarisation im A4-Experiment von zuvor 5% auf nun 1,5% bei 1508MeV verringert werden. Für die Daten zur Messung der paritätsverletzenden Elektronenstreuung bei einem Viererimpulsübertrag von $Q^2=0,6 (GeV/c)^2$ beträgt die Rohasymmetrie beim derzeitigen Stand der Analyse $A_{PV}^{Roh} = ( -20,0 pm 0,9_{stat} ) cdot 10^{-6}$. Für eine Strahlpolarisation von 80% erhält man einen Gesamtfehler von $1,68 cdot 10^{-6}$ für $Delta P_e/P_e = 5 %$. Als Ergebnis dieser Arbeit wird sich dieser Fehler durch Analyse der Daten des Compton-Laserrückstreupolarimeters um 29% auf $1,19 cdot 10^{-6}$ ($Delta P_e/P_e = 1,5 %$) verringern lassen.