[論文レビュー] Towards an Independent Determination of Muon g-2 from Muonium Spectroscopy

Cédric Delaunay, Ben Ohayon+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2021

Muon and positron interactions and applications被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ハイパーファイン分裂（HFS）および1S-2S遷移を用いて、高精度なミュオン原子分光測定を用いて、ミュオンの異常磁気モーメント（g−2）の独立的決定を提案する。J-PARCおよびPSIでの将来的な実験的測定と改善されたQED計算を組み合わせることで、1ppm未満の精度が達成可能であり、ハドロン的不確実性が存在しないため、新物理の明確なプローブが可能となる。

ABSTRACT

We show that muonium spectroscopy in the coming years can reach a precision high enough to determine the anomalous magnetic moment of the muon below one part per million (ppm). Such an independent determination of muon g-2 would certainly shed light on the ∼2 ppm difference currently observed between spin-precession measurements and (R-ratio based) standard model predictions. The magnetic dipole interaction between electrons and (anti)muons bound in muonium gives rise to a hyperfine splitting (HFS) of the ground state which is sensitive to the muon anomalous magnetic moment. A direct comparison of the muonium frequency measurements of the HFS at J-PARC and the 1S-2S transition at PSI with theory predictions will allow us to extract muon g-2 with high precision. Improving the accuracy of QED calculations of these transitions by about 1 order of magnitude is also required. Moreover, the good agreement between theory and experiment for the electron g-2 indicates that new physics interactions are unlikely to affect muonium spectroscopy down to the envisaged precision.

研究の動機と目的

• . ハドロン的不確実性が存在しないミュオンの異常磁気モーメント（g−2）の独立的決定を提供すること。
• . ミュオン原子分光測定が、aμの測定において1ppm未満の精度に達成可能であることを示すこと。
• . ミュオン原子のHFSおよび1S-2S遷移を、新物理の高精度なプローブとしての可能性を評価すること。
• . 特にレプトン特異的相互作用からの新物理の汚染に対して、この手法の頑健性を評価すること。
• . aμの決定においてO(1 ppm)の精度に到達するための理論的および実験的改善の必要性を確立すること。

提案手法

• . ミュオン原子の1S基底状態におけるハイパーファイン分裂（HFS）を、ミュオンの異常磁気モーメントの直接的プローブとして用いる。
• . ミュオンの磁気モーメントに明示的に依存する磁気双極子相互作用ハミルトニアン HHFS = −(2μ₀/3)⃗μe·⃗μμ δ³(r) を採用する。
• . 今後のJ-PARCにおけるHFSの高精度測定とPSIにおける1S-2S遷移の測定を、高度なQED計算と組み合わせる。
• . 1ppm未満の不確実性に到達するためには、ミュオン遷移のQED計算を1桁改善する必要がある。
• . 電子g−2がQEDと整合していることを利用し制約を課す：新物理がミュオンに結合する場合、すでに厳密に制約されている電子g−2にも影響を及ぼす可能性がある。
• . 短距離ダイナミクスをモデル化し、HFSシフトにおける誤った1/mスケーリングを回避するため、有効場理論およびBethe-Salpeter形式を理論的フレームワークとして用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 . ミュオン原子分光測定は、ミュオンの異常磁気モーメントを1ppm未満の精度で決定できるか？
• RQ2 . ミュオン原子におけるHFSおよび1S-2S遷移は、ミュオンの異常磁気モーメントに対してどの程度感度が高いか？
• RQ3 . 予想される精度レベルにおいて、新物理寄与がミュオン原子分光測定にどの程度汚染を及ぼす可能性があるか？
• RQ4 . この手法をaμの決定に実用化するために、QED計算でどの程度の改善が必要か？
• RQ5 . 現在の4.2σのミュオンg−2の不一致を考慮しても、この手法は新物理効果に対して頑健であるか？

主な発見

• . ミュオン原子分光測定は、1ppmレベルの精度でミュオンg−2を決定可能であり、現在のハドロン的不確実性を伴う予測とは対照的に、明確な代替手段を提供する。
• . ミュオン原子におけるHFSは、Fermi接触相互作用ハミルトニアン HHFS を通じて、ミュオンの異常磁気モーメントに感受性を示す。
• . 今後のHFSおよび1S-2S測定結果を理論予測と直接比較することで、1ppm未満の精度でaμを抽出可能である。
• . この手法の実用化にあたっては、特にHVPおよびHFSシフトのQED計算の改善が1桁必要となる。
• . 新物理寄与は、測定値と理論予測の電子g−2の整合性によって強く制約されており、1ppm未満のレベルでの汚染はほとんどありえない。
• . この手法は頑健である：電子g−2の制約および星の冷却からの制約により、測定精度に影響を及ぼす可能性のある新物理の多くが除外される。