[论文解读] Improved Determination of the Hadronic Contribution to the Muon (g-2) and to alpha(M_Z**2) Using new Data from Hadronic Tau Decays

R. Alemany, M. Davier+1 more|ArXiv.org|Mar 3, 1997

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 31

一句话总结

该论文通过结合新的 ALEPH $\tau$ 衰变数据与更新的 $e^+e^-$ 反应截面数据，改进了强子真空极化对μ子反常磁矩 ($a_\mu^{\text{had}}$) 和精细结构常数 $\alpha(M_Z^2)$ 运行的贡献。引入 $\tau$ 数据将 $a_\mu^{\text{had}}$ 的不确定性降低了 37%，得到 $a_\mu^{\text{had}} = (701.1 \pm 9.4) \times 10^{-10}$ 和 $\Delta\alpha_{\text{had}}^{(5)}(M_Z^2) = (281.7 \pm 6.2) \times 10^{-4}$，对应的 $\alpha^{-1}(M_Z^2) = 128.878 \pm 0.085$。更高的精度增强了全局电弱拟合中对希格斯玻色子质量的约束。

ABSTRACT

We have reevaluated the hadronic contribution to the anomalous magnetic moment of the muon (g-2) and to the running of the QED fine structure constant alpha(s) at s=M_Z**2. We incorporated new data from hadronic tau decays, recently published by the ALEPH Collaboration. In addition, compared to previous analyses, we use more extensive e+e- annihilation data sets. The integration over the total hadronic cross section is performed using experimental data up to 40 GeV and results from perturbative QCD above 40 GeV. The improvement from tau data concerns mainly the pion form factor, where the uncertainty in the corresponding integral could be reduced by more than a factor of two. We obtain for the lowest order hadronic vacuum polarization graph a_mu(had) = (695.0 +/- 15.0) x 10^{-10} and delta(alpha(M_Z**2))(had) = (280.9 +/- 6.3) x 10^{-4} using e+e- data only. The corresponding results for combined e+e- and tau data are a_mu(had) = (701.1 +/- 9.4) x 10^{-10} and delta(alpha(M_Z**2))(had) = (281.7 +/- 6.2) x 10^{-4}, where the latter is calculated using the contribution from the five lightest quarks.

研究动机与目标

• 利用新的实验数据，提高强子真空极化对μ子 $(g-2)$ 贡献的精度。
• 利用结合的 $e^+e^-$ 与 $\tau$ 衰变数据，精炼 $s = M_Z^2$ 处的 QED 精细结构常数 $\alpha(s)$ 的运行。
• 通过引入高精度的 $\tau$ 衰变谱函数，特别是π形式因子，降低 $a_\mu^{\text{had}}$ 的不确定性。
• 为全局电弱拟合提供更精确的输入，尤其用于约束希格斯玻色子质量。

提出的方法

• 将新的 ALEPH $\tau$ 衰变数据与更新的 $e^+e^-$ 反应截面测量数据（最高至 40 GeV）相结合。
• 在 40 GeV 以下使用实验数据，在 40 GeV 以上使用微扰 QCD，对总强子截面进行积分。
• 采用具有完整系统误差相关性的统计上定义明确的平均程序，处理截面测量之间的误差关联。
• 应用同位旋约束，以考虑未测量的末态，特别是在 $\tau$ 衰变中。
• 利用光学定理和幺正性，将 $e^+e^-$ 截面与 $\tau$ 谱函数关联到强子真空极化函数。
• 对 $e^+e^-$ 与 $\tau$ 数据进行联合拟合，显式处理五种最轻夸克的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 引入新的 $\tau$ 衰变数据如何提升强子真空极化对 $a_\mu^{\text{had}}$ 贡献的精度？
• RQ2 $\tau$ 衰变在多大程度上减少了π形式因子积分的不确定性，而该积分曾是 $a_\mu^{\text{had}}$ 主要误差来源？
• RQ3 结合的 $e^+e^-$ 与 $\tau$ 数据集如何影响 $\alpha(M_Z^2)$ 的确定及其对希格斯玻色子质量约束的影响？
• RQ4 改进后的 $a_\mu^{\text{had}}$ 对全局电弱拟合及推断的希格斯玻色子质量有何定量影响？

主要发现

• 引入 $\tau$ 衰变数据使 $a_\mu^{\text{had}}$ 的不确定性降低了 37%，得到 $a_\mu^{\text{had}} = (701.1 \pm 9.4) \times 10^{-10}$。
• 利用结合的 $e^+e^-$ 与 $\tau$ 数据，确定了强子对 $\Delta\alpha_{\text{had}}^{(5)}(M_Z^2)$ 的贡献为 $(281.7 \pm 6.2) \times 10^{-4}$。
• 在 $M_Z^2$ 处的反常精细结构常数为 $\alpha^{-1}(M_Z^2) = 128.878 \pm 0.085$，与 LEP 数据一致，并改善了对希格斯玻色子质量的约束。
• 改进后的 $a_\mu^{\text{had}}$ 导致希格斯玻色子质量的约束为 $138^{+137}_{-76}$ GeV，理论不确定性为 50 GeV，而使用先前 $\alpha(M_Z^2)$ 值时为 $149^{+148}_{-82}$ GeV。
• $\tau$ 数据显著减小了π形式因子积分的误差，该误差曾是 $a_\mu^{\text{had}}$ 的主要不确定性来源。
• 结果与 CVC 假设一致，通过 $\tau$ 分支比和 π 介子 β 衰变的检验确认，未发现显著的 CVC 破坏。