[论文解读] Pion Transition Form Factor from Twisted-Mass Lattice QCD and the Hadronic Light-by-Light $π^0$-pole Contribution to the Muon $g-2$

C. Alexandrou, Simone Bacchio+16 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 81被引用 4

一句话总结

本文使用扭曲质量费米子，通过从头算的格点QCD计算了π⁰过渡形式因子（TFF），实现了对μ子反常磁矩中π⁰极化子贡献的首项原理确定。该研究通过模型无关的共形展开参数化TFF，并得出aπ⁰−poleμ = 56.7(3.2) × 10⁻¹¹，为标准模型的精密检验提供了关键输入。

ABSTRACT

The neutral pion generates the leading pole contribution to the hadronic light-by-light tensor, which is given in terms of the nonperturbative transition form factor $\mathcal{F}_{π^0γγ}(q_1^2,q_2^2)$. Here we present an ab-initio lattice calculation of this quantity in the continuum and at the physical point using twisted-mass lattice QCD. We report our results for the transition form factor parameterized using a model-independent conformal expansion valid for arbitrary space-like kinematics and compare it with experimental measurements of the single-virtual form factor, the two-photon decay width, and the slope parameter. We then use the transition form factors to compute the pion-pole contribution to the hadronic light-by-light scattering in the muon $g-2$, finding $a_μ^{π^0 ext{-pole}} = 56.7(3.2) imes 10^{-11}$.

研究动机与目标

• 通过格点QCD从头算计算π⁰过渡形式因子Fπ⁰γγ(q²₁, q²₂)。
• 提供μ子g−2中强子光-光散射部分的π⁰极化子贡献的首项原理确定。
• 将格点结果与单虚形式因子、双光子衰变宽度和斜率参数的实验数据进行对比验证。
• 利用格点校准的TFF，实现对高能光-光散射贡献的模型无关、数据驱动的分散方法。

提出的方法

• 采用Nf=2+1+1动力费米子的扭曲质量格点QCD，在物理点和连续极限下模拟π⁰过渡形式因子。
• 使用模型无关的共形展开，对任意类空动量转移q²₁, q²₂下的TFF进行参数化。
• 通过含外光子的关联函数，计算真空与π⁰态之间电磁流矩阵元。
• 应用Lüscher形式化方法与随机估计技术，从大体积、高统计量的规范配置中提取TFF。
• 利用扭曲质量正则化方案进行连续极限与手征极限外推，以达到物理π⁰质量。
• 利用格点校准的TFF，通过HLbL张量的分散表示，计算μ子g−2中π⁰极化子的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在类空区域，使用格点QCD从头算计算的π⁰过渡形式因子Fπ⁰γγ(q²₁, q²₂)是多少？
• RQ2 格点校准的TFF与单虚形式因子、双光子衰变宽度和斜率参数的实验测量结果相比如何？
• RQ3 从首项原理格点计算中，μ子g−2中强子光-光散射的π⁰极化子贡献是多少？
• RQ4 模型无关的共形展开是否能准确描述格点QCD中所有类空动力学区域的非微扰TFF？
• RQ5 该格点结果与当前分散估算及实验约束相比如何？

主要发现

• 通过使用扭曲质量格点QCD，成功在连续极限和物理点处以高统计精度计算了π⁰过渡形式因子。
• 格点结果与单虚形式因子、双光子衰变宽度和斜率参数的实验数据一致。
• μ子g−2中π⁰极化子贡献被确定为aπ⁰−poleμ = 56.7(3.2) × 10⁻¹¹，提供了首项原理的格点QCD估算。
• 模型无关的共形展开在全类空动量区域可靠地参数化了TFF。
• 该结果支持分散方法在HLbL散射中的可靠性，并减少了对实验输入的依赖。
• 该计算证明了从格点QCD首项原理计算主导HLbL贡献的可行性，推动了标准模型的精密检验。