Heavy-light meson properties from latice QCD

par Antoine Gerardin

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Benoît Blossier.

Soutenue le 23-09-2014

à Paris 11 , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de physique théorique (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de Laboratoire de Physique Théorique d'Orsay (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Propriétés des mésons lourd-légers en QCD sur réseau


  • Résumé

    Les mésons lourd-légers jouent un rôle majeur dans la recherche de nouvelle physique au delà du modèle standard. En particulier, les propriétés du méson B sont utilisées pour contraindre la matrice Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) qui décrit les changements de saveur d’un quark lors d’une interaction faible.Les interactions entre quarks et gluons sont décrites par la théorie de l'interaction forte (QCD). Cette dernière prédit, qu'à faible énergie, le couplage de la théorie croît rendant tout traitement perturbatif impossible. La QCD sur réseau est une régularisation non-perturbative de la QCD adaptée aux simulations numériques. Néanmoins, l'étude des mésons lourd-légers est particulièrement délicate puisqu'elle nécessite la prise en compte de nombreuses échelles d'énergies. La théorie effective des quarks lourds (HQET) peut alors être utilisée : elle consiste en une expansion systématique du Lagrangien QCD et des fonctions de corrélation en puissance de 1/m où m est la masse du quark lourd.Après avoir présenté les outils de la QCD sur réseaux, un calcul de la masse du quark b avec nf=2 quarks dynamiques est présentée. Toutes les étapes sont réalisées de manière non-perturbative et le résultat est une importante vérification de la valeur actuellement citée par le PDG et qui repose essentiellement sur des calculs perturbatifs.Dans la seconde partie de la thèse, après avoir présenté les Lagrangiens décrivant les mésons lourd-légers dans la limite chirale, je présente le calcul de deux couplages. Le premier couplage est associé à la transition hadronique B* '→Bπ où B* 'est la première excitation radiale du méson B vecteur. Il est obtenue en étudiant le rapport de fonctions de corrélation à trois et deux points et le problème aux valeurs propres généralisées (GEVP) est utilisé pour isoler la contribution de l'état excité. Dans un second temps, le couplage h décrivant la transition entre des mésons B scalaire et pseudoscalaire est calculé. Ce couplage intervient dans les extrapolations chirales de différentes quantités, comme la constante de désintégration du méson B scalaire. Nous verrons que le couplage h est important et qu'il ne peux pas être négligé.Finalement, je présenterai nos résultats concernant le calcul de la masse et de la constant d'annihilation de la première excitation radiale du méson D. Je comparerai la masse obtenue avec celle du nouvel état récemment découvert par la Collaboration BaBar et j'expliquerai comment le calcul de la constante d'annihilation peut aider dans la résolution du problème "1/2 vs. 3/2''. Tout au long de ce travail, le GEVP est utilisé pour réduire la contribution des états excités. De plus les extrapolations chirales et la limite du continue sont étudiées afin de tenir compte des différentes sources d'erreurs statistiques.


  • Résumé

    Heavy-light mesons play an important role in the search of new physics beyond the Standard Model. In particular B-mesons properties can be used to put constraints on the matrix elements of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mixing matrix governing flavour-changing weak decays.The dynamics of quarks and gluons are described by Quantum Chromodynamic (QCD). This theory predicts that, at low energies, the associated coupling constant increases, making the use of perturbative methods ineffective. Lattice QCD is a non-perturbative regularization scheme of QCD, suitable for numerical simulations. However, studying heavy-light mesons remains a challenging task due to the many different energy scales that must be considered simultaneously on the lattice. In this work, I use the Heavy Quark Effective Theory (HQET), which consists in a systematic expansion of the QCD Lagrangian and correlation functions in 1/m where m is the mass of the heavy quark.After a presentation of the main techniques used in lattice simulations, a computation of the b-quark mass with nf=2 dynamical quarks is presented. All the steps are performed non-perturbatively, offering an important cross-check of the value cited in the PDG which mainly relies on perturbation theory. A computation of the B-meson decay constant at static and first orders in HQET will be also presented and phenomenological implication are discussed.In the second part of this thesis, after introducing the Heavy Meson Chiral Lagrangians and its different couplings, I present the lattice computation of two such couplings. The first one is associated to the hadronic transitionB* '→Bπ where B* 'is the radial excitation of the vector B meson. The Generalized Eigenvalue Problem (GEVP) will be used to extract information about the excited state from the ratio of three-point to two-point correlation functions and I will discuss the phenomenological implications of our results. Then, I will present the computation of the coupling h between the scalar and the pseudoscalar B mesons using two-point correlation functions. This coupling enters the formulae used to guide the chiral extrapolations when positive parity states are taken into account. We will see that h is large compared to the other couplings and that B meson orbital excitation degrees of freedom cannot be missed in chiral loops.Finally, I will present the lattice computation of the mass and decay constant of the first radial excitation of the D meson. The mass will be compared with the recently observed state by the BaBar Collaboration and I show how the decay constant can help to solve the so-called "1/2 vs. 3/2'' puzzle. In this work, the GEVP is used to control the contribution from higher excited states and continuum and chiral extrapolations are performed to take intro account systematic errors.


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