[論文レビュー] Update of the Hadronic Vacuum Polarisation Contribution to the muon g-2

M. Davier|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、特にBABAR実験の初期状態放射測定から得られた更新された $e^+e^-$ はね返り断面積データを用いて、ミュオンの g-2 に対する一次項のハドロン的真空極化寄与を更新した。新しい結果は $a_{\mu}^{\text{had LO}} = (692.6 \pm 3.3) \times 10^{-10}$ であり、2010年の推定値よりも20%の精度向上を達成し、実験値との間で一貫した 3.6$\sigma$ の乖離を確認した。これは、標準模型を超える新しい物理の可能性を示唆している。

ABSTRACT

Precise data on e^+e^- to hadrons have recently become available and are used to compute the lowest-order hadronic vacuum polarisation contribution to the muon magnetic anomaly through dispersion relations. This is the case for the dominant pi+ pi- channel, but the most significant progress comes from the near completion of the BABAR program of measuring exclusive processes below 2 GeV with the initial-state radiation method which allows an efficient coverage of a large range of energies.. In this paper we briefly review the data treatment, the achieved improvements, and the result obtained for the full Standard Model prediction of the muon magnetic anomaly. The value obtained, a_mu (had~LO)=(692.6 +- 3.3)x 10^{-10} is 20% more precise than our last estimate in 2010. It deviates from the direct experimental determination by (27.4 +- 7.6)x 10^{-10} (3.6 sigma). Perpectives for further improvement are discussed.

研究の動機と目的

• 標準模型によるミュオン磁気モーメント異常 $a_\mu$ の予測精度を高めるために、最低次のハドロン的真空極化（HVP）寄与を精緻化すること。
• 特にBABAR実験の初期状態放射プログラムから得られた高精度な $e^+e^- \to \text{ハドロン}$ 断面積データを組み込むことで、HVP寄与の不確実性を低減すること。
• 実験的測定値と標準模型の予測との間の乖離、特に $a_\mu$ における持続的な 3.6$\sigma$ のずれを解消すること。
• 特に $\pi^+\pi^-$ チャネルにおいて、複数の実験間の $e^+e^-$ データの信頼性と一貫性を評価し、系統的不確実性を定量化すること。

提案手法

• HVP寄与は、測定された $e^+e^- \to \text{ハドロン}$ 断面積を入力として用いた分散関係により計算される。
• 分散積分におけるカーネル $K(s)$ はQED補正を考慮し、最終状態放射効果を含む裸の断面積 $\sigma^{0}_{\text{ハドロン}}(s)$ が用いられる。
• 37個の排他的ハドロンチャネルのデータを統合し、実験内および実験間の相関する系統的不確実性に特に注意を払う。
• 1-MeV刻みの区間で、二次補間と局所加重平均化を用い、密度や誤差構造が異なる複数の実験のデータを統合する。
• 完全な共分散行列を構築し、誤差伝搬を擬似実験（トイ）を用いて行い、局所的な不一致が検出された場合にはスケーリングを適用する。
• 3.7 GeVを超える領域では摂動的QCDを用い、$J/\psi$ や $\psi(2S)$ などの狭い共鳴状態は、最もよく知られたパラメータを用いて積分する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最新の $e^+e^-$ 断面積データを用いた場合、ミュオン $g-2$ に対する最低次のハドロン的真空極化寄与の更新された値は何か？
• RQ2 HVP寄与の精度は、$a_\mu$ の直接的実験測定の不確実性と比べてどの程度か？
• RQ3 標準模型の予測と実験値の間の持続的な乖離の原因と大きさは何か？
• RQ4 $\pi^+\pi^-$ チャネルにおける系統的不確実性は、HVP予測のさらなる改善をどの程度制限しているか？
• RQ5 特に $\rho$ 共鳴領域において、複数の実験間の $e^+e^-$ データの一貫性は確認できるか？ そして $a_\mu$ 異常に対するその意味は何か？

主な発見

• 更新されたHVP寄与は $a_{\mu}^{\text{had LO}} = (692.6 \pm 3.3) \times 10^{-10}$ であり、2010年の推定値 $692.3 \pm 4.2 \times 10^{-10}$ よりも20%の精度向上を達成した。
• HVP寄与の不確実性は、現在の直接 $a_\mu$ 測定の不確実性（$\pm 6.3 \times 10^{-10}$）の約半分にまで低減された。
• 標準模型の予測と実験値との乖離は、依然として $27.4 \pm 7.6 \times 10^{-10}$ のままであり、3.6$\sigma$ の有意性を示している。
• $\pi^+\pi^-$ チャネルは依然として主な不確実性の源であり、BABARのデータは $\rho$ ピーク領域でKLOE測定と矛盾しているが、他の実験はその間の位置にあり、一貫性を示している。
• 排他的チャネルからまとめた全ハドロン対消滅率 $R(s)$ は、摂動的QCDと非常に良好に一致しており、ほぼ漸近的領域におけるグローバルなクォーク-ハドロン双対性の妥当性を支持している。
• 今後の改善には、特に $\pi^+\pi^-$ チャネルで0.5%未満の系統的不確実性の低減と、ハドロン的ライト・バイ・ライト散乱寄与の不確実性低減のための格子QCDの進展が不可欠である。