[论文解读] Time windows of the muon HVP from twisted-mass lattice QCD

C. Alexandrou, Simone Bacchio+14 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本格联QCD研究首次利用Nf=2+1+1动力费米子的扭曲质量规架，确定了μ子的电磁反常磁矩中，强子真空极化（HVP）贡献的短距离与中等距离时间窗口。在多个格点间距和体积下获得的结果显示，短距离窗口（69.27(34)×10⁻¹⁰）与发散方法确定的结果一致，但中等距离窗口（236.3(1.3)×10⁻¹⁰）存在3.6σ的差异——这一张力在多个格点合作组织中持续存在，对基于数据的发散方法构成挑战。

ABSTRACT

We present a lattice determination of the leading-order hadronic vacuum polarization (HVP) contribution to the muon anomalous magnetic moment, $a_{\mu}^{ m HVP}$, in the so-called short and intermediate time-distance windows, $a_{\mu}^{ m SD}$ and $a_{\mu}^{ m W}$. We employ gauge ensembles produced by the Extended Twisted Mass Collaboration (ETMC) with $N_f = 2 + 1 + 1$ flavours of Wilson-clover twisted-mass quarks with masses of all the dynamical quark flavours tuned close to their physical values. The simulations are carried out at three values of the lattice spacing equal to $\simeq 0.057, 0.068$ and $0.080$ fm with spatial lattice sizes up to $L \simeq 7.6$~fm. For the short distance window we obtain $a_\mu^{ m SD} = 69.27\,(34) \cdot 10^{-10}$, in agreement with the dispersive determination based on experimental $e^+ e^-$ data. For the intermediate window we get instead $a_\mu^{ m W} = 236.3\,(1.3) \cdot 10^{-10}$, which is consistent with recent determinations by other lattice collaborations, but disagrees with the dispersive determination at the level of $3.6\,\sigma$.

研究动机与目标

• 提供μ子反常磁矩HVP贡献的短距离与中等距离时间窗口的首次格点QCD确定。
• 检验格点QCD结果与基于e⁺e⁻数据的发散确定结果之间的一致性，后者目前与实验结果存在4.2σ的张力。
• 探究中等距离窗口中差异的根源是否来自发散方法中的系统误差，或来自e⁺e⁻数据中的新物理。
• 为解决μ子g−2长期存在的实验值与标准模型预测之间的张力做出贡献。

提出的方法

• 本研究使用来自扩展扭曲质量合作组织（ETMC）的规范组态，包含Nf=2+1+1动力费米子，其参数接近物理质量。
• 通过时间-动量表示法计算HVP贡献，将核函数K(mμt)与矢量当前相关函数V(t)在欧几里得时间上积分。
• 利用窗口函数ΘSD(t)、ΘW(t)和ΘLD(t)分离时间窗口，分别对应e⁺e⁻湮灭截面中的高能、中能和低能贡献。
• 分析采用AIC加权拟合，以提取对模型依赖性最小的HVP贡献稳健估计。
• 通过多个格点间距（0.057–0.080 fm）和大空间体积（最大达7.6 fm）将结果外推至物理点。
• 通过BMW和CLS合作组织的结果，加入同位旋破缺与QED修正，以匹配发散参考值。

实验结果

研究问题

• RQ1 格点QCD得到的中等距离HVP贡献是否与基于e⁺e⁻数据的发散确定结果一致？
• RQ2 考虑到在小t时精度极高，格点QCD对短距离窗口的结果是否与发散方法一致？
• RQ3 中等距离窗口中格点与发散结果之间3.6σ的差异根源何在？是系统误差还是新物理的征兆？
• RQ4 在格点与发散方法中，中等距离窗口的各夸克味贡献（u,d,s,c）如何比较？

主要发现

• 短距离窗口贡献为𝑎SD𝜇 = 69.27(34)×10⁻¹⁰，与发散方法确定的1.4σ水平结果高度一致。
• 中等距离窗口贡献为𝑎W𝜇 = 236.3(1.3)×10⁻¹⁰，与发散结果229.4(1.4)×10⁻¹⁰在3.6σ水平上不一致。
• 该中等距离窗口结果与BMW（236.7(1.4)×10⁻¹⁰）和CLS（237.30(1.46)×10⁻¹⁰）的近期格点结果高度一致，表明其与发散方法的持续张力。
• 中等距离窗口的各味贡献（轻夸克ℓ、奇异夸克s、粲夸克c）与其它格点合作组织结果良好一致，支持本结果的稳健性。
• 若该差异被证实，表明发散方法可能受到未被考虑的系统误差影响，或e⁺e⁻数据中存在潜在的新物理。
• 本研究证实，格点QCD为HVP贡献提供了无模型依赖、基于第一性原理的检验，对解决μ子g−2异常至关重要。