[논문 리뷰] Towards an Independent Determination of Muon g-2 from Muonium Spectroscopy

Cédric Delaunay, Ben Ohayon외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 22.

Muon and positron interactions and applications인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 하이퍼프린팅 분열(HFS)과 1S-2S 전이를 활용하여 고정밀 도자기 이론을 기반으로 한 뮤온의 비정상 자기모멘트(g−2)의 독립적 결정을 제안한다. 향후 J-PARC와 PSI에서의 실험 측정과 향상된 QED 계산을 조합함으로써, 1ppm 이하의 정밀도를 달성할 수 있으며, 이는 강입자 불확실성으로부터 자유로운 새로운 물리학 탐색을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• . 강입자 불확실성으로부터 자유로운 뮤온 비정상 자기모멘트(g−2)의 독립적 결정을 제공하기 위해.
• . 도자기 이론을 통한 뮤온의 aμ 측정에서 1ppm 이하 정밀도를 달성할 수 있음을 입증하기 위해.
• . 도자기 이론의 HFS와 1S-2S 전이가 새로운 물리학 탐색의 정밀 측정 수단으로서의 가능성을 평가하기 위해.
• . 특히 렙톤 특이 상호작용에 의해 영향을 받을 수 있는 새로운 물리학 오염에 대한 이 방법의 강건성을 평가하기 위해.
• . aμ 결정에서 O(1 ppm) 정밀도에 도달하기 위한 이론적 및 실험적 향상 요구사항을 설정하기 위해.

제안 방법

• . 뮤온의 비정상 자기모멘트를 직접 측정할 수 있는 도자기 이론의 1S 기저 상태에서의 하이퍼프린팅 분열(HFS)을 사용한다.
• . 뮤온의 자기모멘트에 직접적으로 의존하는 자기 dipole 상호작용 해밀토니안 HHFS = −(2μ₀/3)⃗μe·⃗μμ δ³(r)을 적용한다.
• . 향후 J-PARC에서의 HFS 고정밀 측정과 PSI에서의 1S-2S 전이 측정을 고급 QED 계산과 조합한다.
• . 1ppm 이하의 불확실성에 도달하기 위해 도자기 이론 전이의 QED 계산을 약 한 계급 개선이 필요하다.
• . 렙톤 g−2가 QED와 일치한다는 사실을 제약 조건으로 활용한다: 새로운 물리학이 뮤온에 영향을 주면, 이미 엄격하게 제약된 전자 g−2에도 영향을 줄 가능성이 있다.
• . 짧은 거리 동역학을 모델링하고 HFS 이격에 대한 1/m 스케일링 오류를 피하기 위해 유효장 이론과 Bethe-Salpeter 형식을 이론적 틀로 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 도자기 이론의 고정밀 측정을 통해 뮤온의 비정상 자기모멘트를 1ppm 이하 정밀도로 결정할 수 있는가?
• RQ2 . 도자기 이론의 HFS와 1S-2S 전이가 뮤온의 비정상 자기모멘트에 얼마나 민감한가?
• RQ3 . 예상되는 정밀도 수준에서 새로운 물리학 기여가 도자기 이론 측정에 얼마나 오염을 일으킬 수 있는가?
• RQ4 . 이 방법이 aμ 결정에 유력하게 작용하기 위해 필요한 QED 계산의 향상 수준은 어느 정도인가?
• RQ5 . 현재 뮤온 g−2에서 관측된 4.2σ의 불일치를 고려할 때, 이 방법이 새로운 물리학 효과에 대해 강건한가?

주요 결과

• . 도자기 이론의 고정밀 측정은 뮤온 g−2를 1ppm 수준에서 결정할 수 있으며, 현재의 강입자 불확실성에 기인한 예측과는 자유로운 청소년적 대안을 제공한다.
• . 도자기 이론의 HFS는 Fermi 접촉 상호작용 해밀토니안 HHFS를 통해 뮤온의 비정상 자기모멘트에 민감하다.
• . 향후 HFS와 1S-2S 측정 결과를 이론 예측과 직접 비교함으로써 aμ를 1ppm 이하 정밀도로 추출할 수 있다.
• . 이 방법의 유용성을 확보하기 위해 HVP 및 HFS 이격에 대해 QED 계산의 정밀도를 약 한 계급 향상시킬 필요가 있다.
• . 새로운 물리학이 도자기 이론 관측량에 기여할 가능성은 전자 g−2의 측정치와 이론치의 일치로 강력히 제약을 받으며, 이로 인해 1ppm 수준에서 오염이 발생할 가능성은 낮다.
• . 이 방법은 강건하다: 전자 g−2의 제약과 항성 냉각 제약은 뮤온 측정에 영향을 주는 대부분의 새로운 물리학 시나리오를 배제한다.