[論文レビュー] Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD

Sz. Borsányi, Z. Fodor+12 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 65

ひとこと要約

このラティスQCD研究では、電磁相互作用および強い同位スピン破れ効果を含む第一原理的シミュレーションを用いて、ミュオンの異常磁気モーメントに対する一次発散度の真空極化寄与をパーミル未満の精度で計算した。結果は aμ = 707.5(5.5)×10⁻¹⁰ であり、実験的値が分散予測よりも支持され、長年の (gμ−2) の不一致の一部が解消された。

ABSTRACT

We compute the leading order hadronic vacuum polarization (LO-HVP) contribution to the anomalous magnetic moment of the muon, $(g_\mu-2)$, using lattice QCD. Calculations are performed with four flavors of 4-stout-improved staggered quarks, at physical quark masses and at six values of the lattice spacing down to 0.064~fm. All strong isospin breaking and electromagnetic effects are accounted for to leading order. The infinite-volume limit is taken thanks to simulations performed in volumes of sizes up to 11~fm. Our result for the LO-HVP contribution to $(g_\mu-2)$ has a total uncertainty of 0.8\%. Compared to the result of the dispersive approach for this contribution, ours significantly reduces the tension between the standard model prediction for $(g_\mu-2)$ and its measurement.

研究の動機と目的

• 第一原理的ラティスQCDおよびQEDシミュレーションを用いて、ミュオンの異常磁気モーメントに対する一次発散度の真空極化（LO-HVP）寄与を計算すること。
• 標準模型予測における (gμ−2) の理論的誤差の主因であるLO-HVP寄与の不確実性を低減すること。
• e⁺e⁻アンニヒレーションデータに基づく分散予測と実験的測定との間のラティスQCD結果の一貫性を検証すること。
• スケール設定、ノイズ低減、QEDおよび強い同位スピン破れ、無限体積および連続極限への外挿といった主な課題に対処すること。

提案手法

• 非デゲネレートな4種のクォーク流体（u, d, s, c）を含む第一原理的ラティスQCD+QEDシミュレーションを用い、動的なQEDおよび強い同位スピン破れ効果を考慮する。
• 時間運動量表現を用い、現在-現在相関関数 G(t) を用いてLO-HVP寄与を計算し、ミュオン伝播関数から導かれる重み関数 K(t) と積分する。
• ディラック作用素の最小固有モードに基づく高度なノイズ低減技術を適用し、統計的精度を約10倍向上させる。
• 27個のアンサンブル（L ≈ 6 fm）と1つのアンサンブル（L ≈ 11 fm）を用いて、連続極限および無限体積への外挿を実施し、4HEXシミュレーションを用いて有限サイズ効果を補正する。
• Ωバリオン質量（MΩ = 1672.45(29) MeV）および w0 スケールを用いてラティススケールを設定し、相対的精度4パーミルを達成する。
• ラティスデータからHVPを計算し、R比に基づく分散予測と比較する。ボトムクォーク寄与にはパド近似を、スペクトル関数には分散積分を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全なQEDおよび強い同位スピン破れ効果を含むラティスQCDが、(gμ−2) の実験的測定値と整合するLO-HVP予測を提供するか？
• RQ2 特に低運動量領域において、ラティスQCD結果はe⁺e⁻アンニヒレーションデータに基づく分散予測とどのように比較されるか？
• RQ3 ラティスの人工的効果および有限体積効果がLO-HVPの決定にどの程度影響を及ぼし、どのように制御されているか？
• RQ4 ラティス結果は、標準模型予測と実験との間の3.7σの不一致を解消できるか、あるいは電弱精度観測量との間に新たな不一致を引き起こすか？
• RQ5 0–1 GeV²領域におけるラティスとR比HVPの2.8%相対的不一致が、強い結合定数の運搬および電弱精度テストに与える影響は何か？

主な発見

• LO-HVP寄与のラティスQCD結果は aμ = 707.5(5.5)×10⁻¹⁰ であり、実験的値 (gμ−2) が分散予測よりも支持される。
• ラティス結果はR比に基づくHVPと0–1 GeV²領域で2.8%の相対的不一致を示し、これは (gμ−2) の不一致の大きさと整合的である。
• 1–10 GeV²領域では、ラティスとR比HVPが誤差内に一致しており、CHMM解析で用いられた全エネルギー領域にわたる一様な2.8%補正の仮定に反する。
• 2.8%の不一致が1.94 GeVまでに限定されるものと仮定すると、電弱精度測定との不一致は2.4σにまで低下し、CHMM基準点予測の4.2σの不一致より顕著に小さい。
• 不一致が低エネルギー領域に限定される限り、電弱精度観測量との新たな不一致を引き起こさずに (gμ−2) の不一致が解消されると支持される。
• スケール設定においてパーミル未満の精度（w0 = 0.17236(29)(63)[70] fm）を達成し、aμの高精度なラティスQCD計算が可能になった。