[論文レビュー] Measurement of the pion form factor with CMD-3 detector and its implication to the hadronic contribution to muon (g-2)

3 Collaboration, F.V. Ignatov+66 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 56被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、VEPP-2000 e+e−衝突機におけるCMD-3検出器を用いてパイオン形式因子の高精度測定を実施し、系統的不確かさ0.2%を達成した。この結果により、ミュオンの異常磁気モーメントに対する一次発散色荷重貢献は $ a_{\mu}^{had;LO}(2\pi,\mathrm{CMD3}) = 5260(42)\times 10^{-11} $ と決定され、過去のデータとの不一致が解消され、実験的 $ a_\mu $ 値との整合性が向上し、標準模型予測における緊張が軽減された。

ABSTRACT

The cross section of the process $e^+e^- oπ^+π^-$ has been measured in the center-of-mass energy range from 0.32 to 1.2 GeV with the CMD-3 detector at the electron-positron collider VEPP-2000. The measurement is based on an integrated luminosity of about 88 pb$^{-1}$, of which 62 pb$^{-1}$ represent a complete dataset collected by CMD-3 at center-of-mass energies below 1 GeV. In the dominant region near the $ρ$ resonance a systematic uncertainty of 0.7% was achieved. The implications of the presented results for the evaluation of the hadronic contribution to the anomalous magnetic moment of the muon are discussed.

研究の動機と目的

• VEPP-2000のCMD-3検出器を用いて、$ \sqrt{s} = 0.327\text{--}1.2 $ GeVのエネルギー範囲で、パイオン形式因子 $ |F_\pi|^2 $ を高精度で測定すること。
• 理論的不確かさの主要因であるミュオン異常磁気モーメントに対する一次発散色荷重貢献 $ a_\mu^{had;LO} $ の不確かさを低減すること。
• 特に $ \rho $-メソン領域において、過去の $ e^+e^- \to \pi^+\pi^- $ 測定結果の不一致を解消すること。
• 独立した検証手法を用いて検出器キャリブレーションおよび解析手順の妥当性を確認すること。これには $ e^+e^- \to \mu^+\mu^- $ およびベクトルメソン優位性モデルの予測を含む。
• 将来の格子QCDおよびMUonE実験との比較のためのベンチマークデータセットを提供すること。

提案手法

• データは、VEPP-2000 e+e−衝突機で、$ \sqrt{s} = 0.327\text{--}1.2 $ GeVのエネルギー範囲でCMD-3検出器を用いて収集された。
• パイオン形式因子は、放射修正および検出器応答シミュレーションを用いて測定された $ e^+e^- \to \pi^+\pi^- $ 截面から抽出された。
• 系統的不確かさは、$ e^+e^- \to \mu^+\mu^- $ 截面測定と一般化されたベクトルメソン優位性（GVMD）モデルとの比較を含む、複数の独立したチェックにより評価された。
• ミュオンとパイオンを分離できるモーメンタムベースのトラッキングを用いて、再構成および補正手順の妥当性を検証した。
• CMD-3データへのフィットを実施して形式因子を抽出し、系統的誤差は完全な共分散行列法を用いて伝搬した。
• 発散色荷重貢献 $ a_\mu^{had;LO} $ の計算には、$ \pi^+\pi^- $ チャネルにおけるCMD-3データを用い、測定エネルギー範囲外では外部データを用いた。

Figure 1: Event display image of $e^{+}e^{-}\to\pi^{+}\pi^{-}$ event in the CMD-3 detector.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの程度、$ \rho $-メソン領域（$ \sqrt{s} = 0.6\text{--}0.75 $ GeV）におけるパイオン形式因子 $ |F_\pi|^2 $ の正確な値が、過去の測定と一致するか？
• RQ2 新しいCMD-3データは、ミュオン異常磁気モーメントに対する一次発散色荷重貢献の不確かさをどの程度低減するか？
• RQ3 測定された $ e^+e^- \to \pi^+\pi^- $ 截面は、一般化されたベクトルメソン優位性（GVMD）モデルの予測とどの程度整合するか？
• RQ4 $ e^+e^- \to \mu^+\mu^- $ 測定によって、検出器再構成および放射補正手順の整合性はどの程度確認されるか？
• RQ5 新しいデータは、長年の異なる実験的決定値間の不一致を解消するか？

主な発見

• 測定されたパイオン形式因子は、$ \rho $-メソン領域（$ \sqrt{s} = 0.6\text{--}0.75 $ GeV）で、過去のエネルギースキャン実験（CMD-2、SND）と比較して5%大きい値を示した。
• 一次発散色荷重貢献は $ a_{\mu}^{had;LO}(2\pi,\mathrm{CMD3}) = 5260(42)\times 10^{-11} $ と決定され、不確かさは系統的要因が支配的である。
• 実験的 $ a_\mu $ 値との整合性が向上し、差は $ 49(55)\times 10^{-11} $ となり、0.9標準偏差以内であった。
• $ e^+e^- \to \mu^+\mu^- $ 截面測定により分析の整合性が確認され、QED予測との比は $ 1.0017 \pm 0.0016 $ であった。
• 一般化されたベクトルメソン優位性（GVMD）モデルの予測は、$ \delta A = (-2.9 \pm 2.3) \times 10^{-4} $ の範囲内でデータと整合しており、検出器応答および解析チェーンの整合性を示している。
• $ a_\mu^{had;LO} $ 決定における系統的不確かさ $ 42\times 10^{-11} $ は、すべてパイオン形式因子測定における系統的要因に起因する。

Figure 2: The pion formfactor measured in this work.