[論文レビュー] Time windows of the muon HVP from twisted-mass lattice QCD

C. Alexandrou, Simone Bacchio+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

このラティスQCD研究では、Nf=2+1+1のダイナミカルクォークを用いたねじれ質量フェルミオンを用いて、ミュオンの一次元的ハドロン真空偏移（HVP）寄与の短距離および中間距離時間窓の最初の決定がなされた。複数の格子間隔と体積で得られた結果は、短距離窓については分散的決定と一致している（69.27(34)×10⁻¹⁰）が、中間距離窓では3.6σの不一致を示している（236.3(1.3)×10⁻¹⁰）— これは複数の格子共同研究で確認されており、データ駆動型の分散的アプローチに挑戦するものである。

ABSTRACT

We present a lattice determination of the leading-order hadronic vacuum polarization (HVP) contribution to the muon anomalous magnetic moment, $a_{\mu}^{ m HVP}$, in the so-called short and intermediate time-distance windows, $a_{\mu}^{ m SD}$ and $a_{\mu}^{ m W}$. We employ gauge ensembles produced by the Extended Twisted Mass Collaboration (ETMC) with $N_f = 2 + 1 + 1$ flavours of Wilson-clover twisted-mass quarks with masses of all the dynamical quark flavours tuned close to their physical values. The simulations are carried out at three values of the lattice spacing equal to $\simeq 0.057, 0.068$ and $0.080$ fm with spatial lattice sizes up to $L \simeq 7.6$~fm. For the short distance window we obtain $a_\mu^{ m SD} = 69.27\,(34) \cdot 10^{-10}$, in agreement with the dispersive determination based on experimental $e^+ e^-$ data. For the intermediate window we get instead $a_\mu^{ m W} = 236.3\,(1.3) \cdot 10^{-10}$, which is consistent with recent determinations by other lattice collaborations, but disagrees with the dispersive determination at the level of $3.6\,\sigma$.

研究の動機と目的

• ミュオンの異常磁気モーメントのHVP寄与の短距離および中間距離時間窓の最初のラティスQCDによる決定を提供すること。
• 実験と標準模型予測の間の長年の不一致を解消するために、e⁺e⁻データに基づく分散的決定とラティスQCD結果の整合性を検証すること。現在、実験との間に4.2σの不一致が示されている。
• 中間距離窓における不一致が、分散的手法のシステムティック効果に起因するのか、それともe⁺e⁻データに新しい物理が存在する可能性があるのかを調査すること。
• ミュオンg−2の長年の不一致を解消する上で、不可逆的で第一原理的なアプローチとしてのラティスQCDの貢献を果たすこと。

提案手法

• 物理的質量に近い位置にチューニングされたNf=2+1+1のダイナミカルクォークを用いた、拡張ねじれ質量共同研究（ETMC）のゲージエンsemblesを用いる。
• HVP寄与は、時間運動量表現を用い、核関数K(mμt)をベクトル現在相関関数V(t)に対してEuclidean時間にわたって積分することで計算する。
• 時間窓は、e⁺e⁻結合断面積における高エネルギー・中間エネルギー・低エネルギー寄与に対応する窓関数ΘSD(t)、ΘW(t)、ΘLD(t)を用いて特定する。
• モデル依存性を最小限に抑えるために、AIC重み付きフィットを採用してHVP寄与の信頼性の高い推定値を抽出する。
• 複数の格子間隔（0.057–0.080 fm）と大きな空間体積（最大7.6 fm）を用いて物理点への外挿を実施する。
• アイソスピン破れおよびQED補正は、BMWおよびCLS共同研究の結果を用いて、分散的基準値と一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中間距離HVP寄与は、e⁺e⁻データに基づく分散的決定とラティスQCDの結果で整合しているか？
• RQ2 短距離窓におけるラティスQCD結果は、小さなtにおける高い精度を有する分散的手法と一致しているか？
• RQ3 中間距離窓におけるラティスQCDと分散的結果の3.6σの不一致の原因は何か？これはシステムティック効果に起因するのか、それとも新しい物理の兆候なのか？
• RQ4 ラティスと分散的アプローチにおける中間距離窓の個々のクォークフレーバー寄与（u,d,s,c）はどのように比較できるか？

主な発見

• 短距離窓寄与は𝑎SD𝜇 = 69.27(34)×10⁻¹⁰と求められ、分散的決定（1.4σ）と良好に一致している。
• 中間距離窓寄与は𝑎W𝜇 = 236.3(1.3)×10⁻¹⁰であり、分散的結果（229.4(1.4)×10⁻¹⁰）と3.6σの不一致を示している。
• この中間距離窓の結果は、BMW（236.7(1.4)×10⁻¹⁰）およびCLS（237.30(1.46)×10⁻¹⁰）の最近のラティス結果とも強く一致しており、分散的手法との間で持続的な不一致が確認されている。
• 軽いクォーク（ℓ）、 strange（s）、 charm（c）の個々の寄与は、他のラティス共同研究と良好に一致しており、結果の信頼性を支持している。
• 中間距離窓の不一致が確認された場合、分散的手法が未特定のシステムティック効果に影響を受けており、e⁺e⁻データに潜在的な新しい物理が存在する可能性があると示唆する。
• 本研究は、ラティスQCDがHVP寄与のモデルに依存しない第一原理的チェックを提供することを確認しており、ミュオンg−2の不一致を解消する上で極めて重要である。