[論文レビュー] Pion Transition Form Factor from Twisted-Mass Lattice QCD and the Hadronic Light-by-Light $π^0$-pole Contribution to the Muon $g-2$

C. Alexandrou, Simone Bacchio+16 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 81被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ねじれ質量フェルミオンを用いた、初等的（ab initio）な格子QCD計算を通じて、パイオン遷移形因子（TFF）を評価し、ミュオンの異常磁気モーメントにおけるパイオン極寄与を第一原理的に決定することを目的としている。研究では、モデルに依存しないコンフォーマル展開を用いてTFFを計算し、aπ0−poleμ = 56.7(3.2) × 10−11 を得た。これは、標準模型の高精度検証に不可欠な入力となる。

ABSTRACT

The neutral pion generates the leading pole contribution to the hadronic light-by-light tensor, which is given in terms of the nonperturbative transition form factor $\mathcal{F}_{π^0γγ}(q_1^2,q_2^2)$. Here we present an ab-initio lattice calculation of this quantity in the continuum and at the physical point using twisted-mass lattice QCD. We report our results for the transition form factor parameterized using a model-independent conformal expansion valid for arbitrary space-like kinematics and compare it with experimental measurements of the single-virtual form factor, the two-photon decay width, and the slope parameter. We then use the transition form factors to compute the pion-pole contribution to the hadronic light-by-light scattering in the muon $g-2$, finding $a_μ^{π^0 ext{-pole}} = 56.7(3.2) imes 10^{-11}$.

研究の動機と目的

• 格子QCDを用いて、第一原理的にpion transition form factor (TFF) Fπ0γγ(q²₁, q²₂) を計算すること。
• ミュオンg−2における強子的光-光散乱（HLbL）のパイオン極寄与を、初等的（ab initio）に決定すること。
• 実験データ（単一虚数TFF、2光子崩壊幅、勾配パラメータ）と照合して、格子計算結果の妥当性を検証すること。
• 格子でキャリブレーションされたTFFを用いて、モデルに依存しない、データ駆動型の分散的アプローチによりHLbL寄与を評価すること。

提案手法

• Nf=2+1+1の動的フェルミオンを用いたねじれ質量格子QCDを用い、物理的パイオン質量点および連続極限でのパイオンTFFをシミュレートすること。
• 任意の空間的反動エネルギーq²₁, q²₂におけるTFFをパラメータ化するため、モデルに依存しないコンフォーマル展開を用いること。
• 外部光子を含む相関関数を用いて、真空とパイオン状態間の電磁カレント行列要素を計算すること。
• Lüscher形式および確率的推定技術を用いて、大スケール・高統計量のゲージ配置からTFFを抽出すること。
• ねじれ質量正則化スキームを用いて連続極限およびヘリカル補外を行い、物理的パイオン質量に到達すること。
• 格子でキャリブレーションされたTFFを用いて、HLbLテンソルの分散表現を通じて、ミュオンg−2におけるパイオン極寄与を計算すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第一原理的格子QCD計算により、空間的反動領域におけるパイオン遷移形因子 Fπ0γγ(q²₁, q²₂) はどのように得られるか？
• RQ2 格子でキャリブレーションされたTFFは、実験的測定値（単一虚数形因子、2光子崩壊幅、勾配パラメータ）とどの程度一致するか？
• RQ3 第一原理的格子QCD計算から得られるパイオン極寄与は、ミュオンg−2における強子的光-光散乱にどの程度寄与するか？
• RQ4 モデルに依存しないコンフォーマル展開は、格子QCDにおける非摂動的TFFを、空間的反動全領域で正確に記述できるか？
• RQ5 格子計算によるπ⁰極寄与は、現在の分散的推定値および実験的制約と比較してどのようになるか？

主な発見

• ねじれ質量格子QCDを用いて、高い統計的精度で連続極限および物理的パイオン質量点におけるパイオン遷移形因子が成功裏に計算された。
• 格子計算によるTFFは、単一虚数形因子、2光子崩壊幅、勾配パラメータに関する実験データと整合的である。
• ミュオンg−2におけるパイオン極寄与は、aπ0−poleμ = 56.7(3.2) × 10−11 として決定され、第一原理的格子QCDによる推定が得られた。
• モデルに依存しないコンフォーマル展開は、空間的反動エネルギー領域全域にわたりTFFを信頼できる形でパラメータ化できた。
• 分散的アプローチによるHLbL散乱の信頼性が支持され、実験的入力への依存度が低下した。
• 本計算は、第一原理的格子QCDによるHLbL寄与の主要寄与項の計算が可能であることを示し、標準模型の高精度検証を前進させた。