[論文レビュー] Muon g-2: Review of Theory and Experiment

James P. Miller, Eduardo de Rafael+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2007

Muon and positron interactions and applications参考文献 8被引用数 181

ひとこと要約

この論文は、ミュオンの異常磁気モーメント（g-2）の理論的・実験的状態をレビューし、ブルークヘン国立研究所で実施されたE821実験と標準模型の予測との間に3.4σの乖離が生じていることを強調している。ミュオンは重い粒子との結合が強いため、新しい物理学に対して感受性が高く、標準模型を越える物理学を探索するためには理論的・実験的精度の向上が不可欠である。

ABSTRACT

A review of the experimental and theoretical determinations of the anomalous magnetic moment of the muon is given. The anomaly is defined by a=(g-2)/2, where the Landé g-factor is the proportionality constant that relates the spin to the magnetic moment. For the muon, as well as for the electron and tauon, the anomaly a differs slightly from zero (of order 10^{-3}) because of radiative corrections. In the Standard Model, contributions to the anomaly come from virtual `loops' containing photons and the known massive particles. The relative contribution from heavy particles scales as the square of the lepton mass over the heavy mass, leading to small differences in the anomaly for e, μ, and τ. If there are heavy new particles outside the Standard Model which couple to photons and/or leptons, the relative effect on the muon anomaly will be \sim (m_μ/ m_e)^2 \approx 43 imes 10^3 larger compared with the electron anomaly. Because both the theoretical and experimental values of the muon anomaly are determined to high precision, it is an excellent place to search for the effects of new physics, or to constrain speculative extensions to the Standard Model. Details of the current theoretical evaluation, and of the series of experiments that culminates with E821 at the Brookhaven National Laboratory are given. At present the theoretical and the experimental values are known with a similar relative precision of 0.5 ppm. There is, however, a 3.4 standard deviation difference between the two, strongly suggesting the need for continued experimental and theoretical study

研究の動機と目的

• ミュオンの異常磁気モーメントの現在の理論的および実験的決定値をレビューすること。これは、標準模型の主要な高精度テストである。
• ミュオンg-2の測定値と予測値の間の3.4σの乖離の有意性を評価すること。
• 特にハドロン的真空極化および光子間の光子散乱寄与の理論的入力の信頼性を評価すること。
• 標準模型を超える物理学を探索するため、実験的精度および理論的計算の向上を提言すること。
• 電子と比較して高い感受性を示すため、ミュオンg-2がレプトンおよび光子と結合する新しい粒子を感受的に探査する役割を強調すること。

提案手法

• 量子電磁力学（QED）、電弱補正、およびハドロン的真空極化および光子間の光子散乱を通じたハドロン的寄与を用いたミュオンg-2の理論的評価。
• CMD-2、SND、KLOEの$e^+e^-$衝突データおよび$\tau$崩壊データを用いて、ハドロン的真空極化寄与を決定する。
• ベクトルカレント支配モデルおよび分散的技術を用いて、$e^+e^-$断面積データからハドロン的寄与を抽出する。
• 専用の理論的作業を通じて、ハドロン的光子間の光子散乱寄与の不確実性を15%まで低める目標を設定する。
• ノヴォシビルスクとKLOE実験の$\pi\pi$形因子を比較し、$\rho$メソン領域での一貫性を評価する。
• 保存されたベクトルカレント（CVC）仮説を用いて$e^+e^-$と$\tau$崩壊データを関連付けるが、$\tau$の分岐比における不一致がこのアプローチを挑戦する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミュオンの異常磁気モーメントの理論的予測と実験的測定値の間の現在の一致度はどの程度か？
• RQ2 ハドロン的寄与、特に真空極化および光子間の光子散乱が、ミュオンg-2における理論的不確実性にどのように影響しているか？
• RQ3 KLOEとノヴォシビルスク実験の$\pi\pi$形因子測定値の不一致が、ハドロン的寄与にどの程度影響を与えているか？
• RQ4 $\tau$崩壊データが$e^+e^-$データよりも、$a_\mu$へのハドロン的寄与を決定する上でなぜ信頼性が低いのか？
• RQ5 3.4σの乖離を解消し、新しい物理学を探索するためには、理論的および実験的側面でどのような改善が必要か？

主な発見

• E821によるミュオンの異常磁気モーメントの実験的値は、0.54 ppmの精度で知られており、理論的不確実性と一致している。
• 実験的測定値と標準模型の予測値との間に3.4σの乖離が存在し、これは新しい物理学の可能性を示唆している。
• ハドロン的真空極化寄与は、主に$\pi\pi$中間状態に支配されており、一貫性と低い不確実性のため、現在ノヴォシビルスク実験のデータがKLOEよりも優先されている。
• ハドロン的光子間の光子散乱寄与は、依然として最大の理論的不確実性であり、専用の努力を通じて15%の精度を達成することが目標である。
• QED寄与は高い精度で既に知られており、五ループ項が残りの主な不確実性である。
• 電弱寄与は二ループレベルで計算されており、1.5%の不確実性を有するが、主に未知のヒッグス粒子質量に起因する。