Effective Field Theory for Baryon Masses

par Xiulei Ren

Thèse de doctorat en Physique hadronique

Sous la direction de Ubirajara Van Kolck et de Jie Meng.

  • Titre traduit

    Théorie effective des champs pour les masses des baryons


  • Résumé

    La masse est une des propriétés les plus fondamentales de la matière. Comprendre son origine a longtemps été un sujet central en physique. D'après la physique nucléaire et la physique des particules modernes, la clef de ce problème réside dans la compréhension de l’origine de la masse du nucléon à partir de l’interaction forte. Avec le développement des technologies informatiques, la chromodynamique quantique sur réseau offre la possibilité de comprendre l’origine de la masse à partir des premiers principes. Cependant, dû aux ressources de calcul limitées, les masses obtenues à partir des calculs sur réseau doivent être extrapolées jusqu'au point physique. La théorie chirale des perturbations en tant que théorie effective des champs de QCD à basse énergie est une méthode indépendante de modèle permettant de comprendre l’interaction forte dans la région non perturbative et de guider les diverses extrapolations nécessaires pour passer du résultat lattice au résultat physique. Le but de cette thèse est donc d'utiliser la complémentarité entre QCD sur réseau et théorie chirale des perturbations afin d'étudier de façon systématique les masses des baryons. Nous étudions les masses de l'octet baryonique le plus léger dans le cadre de la théorie chirale covariante des perturbations pour les baryons. Nous utilisons la méthode "extended on mass shell" jusqu'à l'ordre trois fois sous dominant. Afin d'étudier les artefacts des calculs sur réseau dus à la taille finie de la boîte nous calculons les effets de volume fini. Adaptant la théorie chirale des perturbations à des fermions de Wilson nous obtenons aussi les effets de discrétisation dû au pas fini du réseau. Nous étudions de façon systématique toutes les données réseau en tenant à la fois de l'extrapolation au continu, des corrections de volume finie et de l'extrapolation chirale. Nous démontrons l'importance des corrections de volume fini dans la description des masses des baryons sur réseau. Par contre les effets de discrétisation sont de l'ordre de 1% jusqu'à l'ordre a² et peuvent donc être ignorés. De plus nous trouvons que toutes les données sur réseau prises en sont consistentes entre elles malgré des différences notables dans les procédures adoptées. Utilisant les formules chirales des masses des baryons nous prédisons de façon précise leurs termes sigma via le théorème de Feynman-Hellmann en analysant les données sur réseau les plus récentes. Les effets dus au pas du réseau, à la troncation de la série de perturbation chirale et à la violation d'isospin de l'interaction forte sont pris en pour la première fois. En particulier le terme sigma pion nucléon et le « strangeness sigma term » sont en accord avec les résultats réseau les plus récents. Au vue des succès rencontrés lors de l'étude de l'octet baryonique nous avons fait une analyse systématique des masses du décuplet baryonique le plus léger dans la théorie chirale covariante des perturbations pour les baryons en fittant de façon simultanée les données réseau n_f=2+1. Une bonne description à la fois des données réseau et des masses expérimentales est obtenue. De plus les termes sigma sont prédits. Enfin comprendre le spectre d'excitation des hadrons est encore un challenge. En particulier le spectre des baryons a une structure très inhabituelle, la résonance Roper (1440) de parité positive étant plus légère que l'état de parité négative N(1535). La plupart des études sur réseau suggère que les effets des log chiraux sont plus importants pour la masse de la Roper que pour celle des nucléons. Nous avons donc calculé la masse de cette résonance en théorie chirale des perturbations en tenant en de façon explicite des contributions du nucléon et du delta. Les contributions venant du mélange entre le nucléon et la Roper sont étudiées pour la première fois. Une première analyse de la masse de cette particule est présentée.


  • Résumé

    Mass is one of the most fundamental properties of matter. Understanding its origin has long been a central topic in physics. According to modern particle and nuclear physics, the key to this issue is to understand the origin of nucleon (lowest-lying baryon) masses from the nonperturbative strong interaction. With the development of computing technologies, lattice Quantum Chromodynamics simulations provide great opportunities to understand the origin of mass from first principles. However, due to the limit of computational resources, lattice baryon masses have to be extrapolated to the physical point. Chiral perturbation theory, as an effective field theory of low-energy QCD, provides a model independent method to understand nonperturbative strong interactions and to guide the lattice multiple extrapolations. Therefore, we present the interplay between lattice QCD and chiral perturbation theory to systematically study the baryon masses. In the SU(3) sector, we study the lowest-lying octet baryon masses in covariant baryon chiral perturbation theory with the extended-on-mass-shell scheme up to next-to-next-to-next-to-leading order. In order to consider lattice artifacts from finite lattice box sizes, finite-volume corrections to lattice baryon masses are estimated. By constructing chiral perturbation theory for Wilson fermions, we also obtain the discretization effects of finite lattice spacings. We perform a systematic study of all the latest n_f=2+1 lattice data with chiral extrapolation (m_q → m_q^phys.), finite-volume corrections (V→∞), and continuum extrapolation (a→0). We find that finite-volume corrections are important to describe the present lattice baryon masses. On the other hand, the discretization effects of lattice simulations up to O(a²) are of the order 1% when a≈0.1 fm and can be safely ignored. Furthermore, we find that the lattice data from different collaborations are consistent with each other, though their setups are quite different. Using the chiral formulas of octet baryon masses, we accurately predict the octet baryon sigma terms via the Feynman-Hellmann theorem by analyzing the latest high-statistics lattice QCD data. Three key factors --- lattice scale setting effects, chiral expansion truncations and strong-interaction isospin-breaking effects --- are taken into account for the first time. In particular, the predicted pion- and strangeness-nucleon sigma terms, sigma_πN=55(1)(4) MeV and sigma_sN =27(27)(4) MeV, are consistent with the most latest lattice results of nucleon sigma terms. With the success in the study of octet baryon masses, we also present a systematic analysis of the lowest-lying decuplet baryon masses in covariant baryon chiral perturbation theory by simultaneously fitting n_f=2+1 lattice data. A good description for both the lattice and the experimental decuplet baryon masses is achieved. The convergence of covariant baryon chiral perturbation theory in the SU(3) sector is discussed. Furthermore, the pion- and strangeness-sigma terms for decuplet baryons are predicted by the Feynman-Hellmann theorem. In addition, understanding the excitation spectrum of hadrons is still a challenge, especially the first positive-parity nucleon resonance, the Roper(1440). The baryon spectrum shows a very unusual pattern that the Roper state is lower than the negative-parity state N(1535). Most lattice studies suggest that the Roper mass exhibits much larger chiral-log effects than that of the nucleon. Therefore, we calculate the Roper mass in chiral perturbation theory by explicitly including the nucleon/Delta contributions. The mixed contributions between nucleon and Roper to the baryon masses are taken into account for the first time. A first analysis of lattice Roper masses is presented.


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