[论文解读] Towards an Independent Determination of Muon g-2 from Muonium Spectroscopy

Cédric Delaunay, Ben Ohayon+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2021

Muon and positron interactions and applications被引用 1

一句话总结

本文提出通过高精度μ子素光谱学独立测定μ子的反常磁矩（g−2），利用超精细结构（HFS）和1S-2S跃迁。结合J-PARC和PSI未来的实验测量与改进的QED计算，可实现亚ppm精度，为新物理提供无强子不确定性干扰的清晰探测途径。

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.

研究动机与目标

• 提供一种摆脱强子不确定性影响的μ子反常磁矩（g−2）独立测定方法。
• 证明μ子素光谱学可在测量aμ时实现亚ppm精度。
• 评估利用μ子素HFS和1S-2S跃迁作为新物理精密探测手段的可行性。
• 评估该方法对新物理污染的鲁棒性，特别是针对轻子特异性相互作用。
• 确定实现aμ测定O(1 ppm)精度所需的理论与实验改进水平。

提出的方法

• 利用μ子素1S基态的超精细结构（HFS）作为μ子反常磁矩的直接探测手段。
• 采用磁偶极相互作用哈密顿量 HHFS = −(2μ₀/3)⃗μe·⃗μμ δ³(r)，其显式依赖于μ子的磁矩。
• 将J-PARC未来对HFS的高精度测量与PSI对1S-2S跃迁的测量结果，结合先进的QED计算。
• 需将μ子跃迁的QED计算精度提高一个数量级，以实现亚ppm不确定度。
• 依赖电子g−2与QED高度一致这一事实作为约束：任何与μ子耦合的新物理也会影响电子g−2，而电子g−2已受到严格约束。
• 采用有效场论和Bethe-Salpeter形式化等理论框架，以建模短程动力学并避免HFS移位中的虚假1/m量纲缩放。

实验结果

研究问题

• RQ1 μ子素光谱学能否实现对μ子反常磁矩的亚ppm精度测定？
• RQ2 μ子素的HFS和1S-2S跃迁对μ子反常磁矩的敏感度如何？
• RQ3 在预期精度下，新物理贡献在多大程度上可能污染μ子素光谱学测量？
• RQ4 为使该方法适用于aμ测定，QED计算需达到何种改进水平？
• RQ5 鉴于当前μ子g−2存在4.2σ的偏差，该方法对新物理效应是否具有鲁棒性？

主要发现

• μ子素光谱学可将μ子g−2的测定精度达到1 ppm水平，为当前受强子不确定性影响的预测提供一种清晰的替代方案。
• μ子素的HFS通过Fermi接触相互作用哈密顿量 HHFS 对μ子的反常磁矩敏感。
• 未来HFS与1S-2S测量结果与理论预测的直接比较，可实现aμ的亚ppm精度提取。
• 所需QED计算的改进约为一个数量级，尤其针对HVP和HFS移位。
• 新物理对μ子素可观测量的贡献受到测量值与预测值一致的电子g−2的强烈约束，因此在亚ppm水平上污染的可能性极低。
• 该方法具有鲁棒性：电子g−2的约束与星体冷却限制共同排除了大多数可能影响μ子素测量在目标精度下的新物理场景。