[論文レビュー] The Muon Anomalous Magnetic Moment: Standard Model Theory and Beyond

Andrzej Czarnecki, William J. Marciano|ArXiv.org|Oct 17, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、クーロン力、ハドロン的、電弱的寄与を含めた標準模型によるミューオンの異常磁気モーメント $a_\mu$ の予測について包括的なレビューを提供しており、理論的不確実性も評価している。実験と理論の間には、453(465)×10⁻¹¹の持続的で、電弱スケールの新しい物理の可能性を示唆する乖離が存在する。今後の実験では、155×10⁻¹¹の精度を目指しており、この仮説の検証が行われる。

ABSTRACT

QED, Hadronic, and Electroweak Standard Model contributions to the muon anomalous magnetic moment, a_mu = (g_mu-2)/2, are reviewed. Theoretical uncertainties in the prediction a_mu^SM = 116591597(67) times 10^{-11} are scrutinized. Effects due to ``New Physics'' are described. Implications of the current experiment vs. theory constraint a_mu^exp - a_mu^SM = 453(465) times 10^{-11} and anticipated near term error reduction to +- 155 times 10^{-11} are discussed.

研究の動機と目的

• QED、ハドロン的、電弱的寄与を含めた、ミューオンの異常磁気モーメント $a_\mu^{\rm SM}$ の正確な理論的予測を提供すること。
• 特にハドロン的真空偏極とハドロン的ライト・バイ・ライト散乱からの理論的不確実性を評価すること。
• 現在の実験的・理論的乖離 $453(465)\times10^{-11}$ が、標準模型を超える新しい物理に与える影響を評価すること。
• E821実験（ブルークヘンの施設）を含む今後の実験が、実験誤差を $\pm155\times10^{-11}$ まで低減させることを想定し、その感度を予測すること。
• 超対称性、拡張されたヒッグス系、追加次元を有するモデルなど、新しい物理のモデルが $m_\mu^2/M^2$-依存性の寄与によって $a_\mu$ に寄与する方法を検討すること。

提案手法

• QEDの摂動的展開を5ループまで適用し、電子 $g-2$ 測定から得られる微細構造定数 $\alpha$ に一致する係数を用いて、$a_\mu$ へのQED寄与を計算する。
• 分散関係を用いて、実験的 $e^+e^- \to \text{hadrons}$ 截面データを用いて、ハドロン的真空偏極の一次的寄与を計算する。
• ピオン極限近似と分散表現を用い、チャイラル摂動論の制約を加えて、ハドロン的ライト・バイ・ライト散乱を評価する。
• $W$ ボソンおよびトップクォークのループを介した電弱寄与を分析し、$\alpha$-抑制補正を含む。
• 有効場理論モデルを構築し、特に拡張されたヒッグスモデルや超対称性における $m_\mu^2/M^2$ スケーリングに注目して、新しい物理寄与を推定する。
• CERNおよびブルークヘンのE821からの実験データと理論的予測を組み合わせ、新しい物理スケールの制限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の標準模型によるミューオンの異常磁気モーメント $a_\mu^{\rm SM}$ の理論的予測は何か？ その主な理論的不確実性は何か？
• RQ2 ハドロン的および電弱的寄与は $a_\mu$ の精度にどのように影響を与え、それらを推定するための手法は何か？
• RQ3 観測された $453(465)\times10^{-11}$ の乖離の有意性は何か？
• RQ4 特に $m_\mu^2/M^2$-依存性の寄与を示す新しい物理モデルは、観測された乖離をどのように説明できるか？
• RQ5 E821 などの今後の実験はどの程度の感度に達するのか？ そして、その精度向上が新しい物理の探索に与える影響は何か？

主な発見

• 標準模型によるミューオンの異常磁気モーメントの予測は $a_\mu^{\rm SM} = 116\,591\,597(67)\times10^{-11}$ であり、理論的不確実性の大部分はハドロン的寄与に起因する。
• 現在の実験的値 $a_\mu^{\rm exp} = 116\,592\,050(460)\times10^{-11}$ は、標準模型予測と $453(465)\times10^{-11}$ の乖離を示している。
• ハドロン的ライト・バイ・ライト散乱寄与は $100(20)\times10^{-11}$ と推定され、ピオン極限近似による不確実性が顕著である。
• 今後の実験では、実験誤差を $\pm155\times10^{-11}$ まで低減させることを目標としており、これにより数シグマレベルでの新しい物理の検証が可能になる。
• $m_\mu^2/M^2$ スケーリングに従う新しい物理寄与は、観測された乖離を説明でき、新しい物理スケール $M \gtrsim 1\,\text{TeV}$ を示唆している。実験の精度向上に伴い、感度は $\sim4\,\text{TeV}$ まで拡張される可能性がある。
• 多ヒッグス、ソフトなSUSY質量、および複合ヒッグスのシナリオなどのモデルは、自然に $m_\mu^2/M^2$-依存性の $a_\mu$ 寄与を生じさせ、乖離の説明として妥当な候補となる。