[論文レビュー] The Muon (g-2) Theory Value: Present and Future

Thomas Blum, Achim Denig+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 70

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）の現在の理論的予測をレビューし、ブルークヘイブンE821からの実験値との間に3–4σの乖離を強調している。将来のが予想されるハドロン的寄与の改善と、フェルミラブE989による実験的不確実性の低減により、理論と実験の差の不確実性は半分に減少し、この乖離が標準模型を超える新しい物理を示唆するかどうかが明確になる。

ABSTRACT

This White Paper briefly reviews the present status of the muon (g-2) Standard-Model prediction. This value results in a 3 - 4 standard-deviation difference with the experimental result from Brookhaven E821. The present experimental uncertainty is $\\pm 63 \ imes 10^{-11}$ (0.54~ppm), and the Standard-Model uncertainty is $\\simeq \\pm 49 \ imes 10^{-11}$. Fermilab experiment E989 has the goal to reduce the experimental error to $\\pm 16 \ imes 10^{-11}$. Improvements in the Standard-Model value, which should be achieved between now and when the first results from Fermilab E989 could be available, should lead to a Standard-Model uncertainty of $\\sim \\,\\pm 35 \ imes 10^{-11}$. These improvements would halve the uncertainty on the difference between experiment and theory, and should clarify whether the current difference points toward New Physics, or to a statistical fluctuation. At present, the (g-2) result is arguably the most compelling indicator of physics beyond the Standard Model and, at the very least, it represents a major constraint for speculative new theories such as supersymmetry, dark gauge bosons or extra dimensions.

研究の動機と目的

• ミュオンの異常磁気モーメント a_{\mu}^{SM} に対する標準模型の予測の現在の状況、特にハドロン的寄与に焦点を当てる。
• 近い将来の実験的および理論的改善が（g-2）比較の精度に与える影響を評価する。
• 実験と理論の間の観察された3–4σの乖離が、標準模型を超える物理を示唆するかどうかを特定する。
• 理論と実験の差の不確実性の低減を予測し、乖離の性質を明確にする。
• ハドロン的および電弱的寄与における主要な不確実性と改善の道筋を特定することで、今後の理論的および実験的取り組みを導く。

提案手法

• QED、電弱的、ハドロン的寄与を用いた標準模型の a_{\mu} への寄与の理論的評価に焦点を当て、特にハドロン的真空偏移（HVP）とライト・バイ・ライト（HLbL）散乱を対象とする。
• e^+e^-衝突機（例：BESIII、ノヴォシビルスク）からの実験的ハドロン的断面積データの統合により、HVP計算の改善を図る。
• 格子QCDを用いたハドロン的寄与の非摂動的計算、特にチャージド・シークォークを含む完全なHLbL振幅計算への進展を含む。
• HLbL寄与のベンチマークとしての「グラスゴー合意」推定値を用い、格子および実験的入力からの将来の改善を想定する。
• QED、弱い相互作用、ハドロン的セクターからの理論的不確実性を統合し、a_{\mu}^{SM} の総不確実性を予測する。
• 更新されたハドロン的データと改善された格子結果を用いた将来の不確実性の予測を行い、フェルミラブE989の予想される実験的精度（±16×10^{-11}）を主要な入力とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型の予測値 a_{\mu}^{SM} における現在の理論的不確実性はどの程度で、ブルークヘイブンE821の実験的不確実性と比較するとどうなるか？
• RQ2 フェルミラブE989およびJ-PARCからの将来の実験的データが、ミュオン（g-2）測定における実験的不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ3 ハドロン的断面積測定および格子QCD計算の改善が、a_{\mu}^{SM} のハドロン的寄与における理論的不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ4 ライト・バイ・ライト散乱寄与の第一原理的格子QCD計算が、理論予測における主要な不確実性を十分に低減できる精度に達するか？
• RQ5 理論的および実験的不確実性の両方の低減が、観察された3–4σの乖離が標準模型を超える物理を示唆するかどうかを明確にするか？

主な発見

• 標準模型の予測値 a_{\mu}^{SM} における現在の理論的不確実性は約 ±49×10^{-11} であり、ブルークヘイブンE821の実験的不確実性（±63×10^{-11}）よりもわずかに小さい。
• フェルミラブE989実験は、実験的不確実性を ±16×10^{-11} に低減すると予想され、E821と比較して精度が4倍向上する。
• 新しい e^+e^- 断面積データおよび格子QCDの進展によるハドロン的寄与の改善予測により、理論的不確実性は約 ±35×10^{-11} に低減され、理論と実験の差の不確実性は半分に減少する。
• ハドロン的ライト・バイ・ライト散乱寄与は依然として主要な不確実性であり、現在は (105±26)×10^{-11} と推定されているが、格子QCDの取り組みにより3–5年以内に誤差を約30％にまで低減できる見込みである。
• 理論的および実験的両方の改善が進んだ場合、差 Δa_{\mu} = a_{\mu}^{EXP} - a_{\mu}^{SM} の不確実性は ±40×10^{-11} にまで低下し、中央値が変わらなければ、乖離の統計的有意水準は7–8σにまで上昇する。
• 理論的改善がさらに進まなくても、中央値が変わらなければ5σの有意水準に達するため、乖離は強く安定しており、新物理の兆候を強く示唆する。