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Dispersion relations and the muon g-2 hadronic light-by-light contribution in multiple kinematic regions
Jan Lüdtke
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)
Betreuer*in
Massimiliano Procura
DOI
10.25365/thesis.73530
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-28696.78570.578753-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das anomale magnetische Moment des Myons erhält große Beachtung, da es seit langem eine Abweichung zwischen Berechnungen im Standardmodell und hochpräzisen Messungen aufweist. Um mit der erhöhten Genauigkeit bevorstehender experimenteller Ergebnisse mitzuhalten und letztlich die Größe und Art der Diskrepanz feststellen zu können, werden genauere theoretische Berechnungen mit verlässlichen Fehlern benötigt. Ziel dieser Arbeit ist es, die datenbasierte dispersive Bestimmung des Hadronic Light-by-Light (HLbL)-Beitrags zum g – 2 des Myons zu verbessern, der einen wesentlichen Teil zur Unsicherheit der Standardmodell-Vorhersage beiträgt. Während die dispersive HLbL-Bestimmung bei niedrigen Energien solide ist, wird der Beitrag der Übergangsregionen zu den Bereichen, wo Short-Distance Constraints (SDCs) gültig sind, weniger gut verstanden und verantwortlich für den größten Teil des Fehlers. Diese Arbeit führt eine neue Methode ein, den dispersiven Niedrigenergieinput zu HLbL mit jenen Regionen zu kombinieren, in denen perturbative QCD und Operatorproduktentwicklungen gültig sind. Die verschiedenen Energieregionen werden mit glatten Interpolationsfunktionen verknüpft, ohne auf hadronische Modelle angewiesen zu sein. Auf diese Weise wird der Effekt von SDCs auf HLbL bestimmt und insbesondere eine robuste Fehlerabschätzung ermöglicht. Die Untersuchung zeigt, dass Zwischenzustände mit Massen zwischen 1 und 2 GeV eine entscheidende Rolle spielen, um den Fehler von HLbL zu reduzieren. Im etablierten dispersiven Zugang, bei dem die Virtualitäten der Photonen festgehalten werden, sind jedoch nicht alle diese Zustände zugänglich. Daher wird in dieser Arbeit ein neuer dispersiver Formalismus für HLbL entwickelt, der es erlaubt, den Effekt von Zwischenzuständen mit Spin zwei oder größer und Massen zwischen 1 und 2 GeV zu berechnen, für die es bisher nur Modellabschätzungen ohne zuverlässige Fehler gibt. Im Gegensatz zum etablierten Zugang, werden hier Dispersionsrelationen im Limes eines weichen Photons verwendet, das zum magnetischen Feld in der Definition des g – 2 gehört. Der Formalismus wird zunächst für einen einfacheren Fall als HLbL diskutiert: den Korrelator von zwei Vektorströmen und einem Axialvektorstrom, der unter anderem in einem bestimmten SDC für HLbL benötigt wird. Anschließend wird die neuartige Methode auf HLbL angewendet und die Effekte von Einteilchenzwischenzuständen berechnet. Für Zwei-Pion-Zwischenzustände werden dispersive Beschreibungen neuer Unterprozesse benötigt. Daher wird eine detaillierte Analyse von pi pi -> gamma pi pi für ein weiches Photon präsentiert. Das ebnet den Weg, pi pi-D-Wellen und Tensormesonen modellunabhängig in die Berechnung von HLbL zu integrieren und so die Unsicherheiten seines Beitrags zu g – 2 zu reduzieren.
Abstract
(Englisch)
The muon anomalous magnetic moment has been drawing great interest due to a long-standing tension between its Standard Model evaluation and highly precise measurements. In order to match the increased accuracy of forthcoming experimental results and ultimately establish size and nature of the discrepancy, progress has to be made on the theory side in terms of accurate predictions with reliable uncertainty estimates. The focus of this thesis lies on improving the data-driven dispersive evaluation of the hadronic light-by-light (HLbL) contribution to the muon g – 2, which is responsible for a substantial part of the uncertainty in the present Standard Model prediction. While the dispersive HLbL determination is under firm control at low energies, the contribution from the transition regions between this and the regimes where short-distance constraints (SDCs) are valid is less understood and causes the bulk of the uncertainty. We provide a new framework to combine the dispersive low-energy input on HLbL with all known constraints in regions where perturbative QCD and operator product expansions are valid. Instead of having to rely on hadronic model calculations, we smoothly connect these multiple kinematic regions through general interpolants. This leads to an independent evaluation of the effect of SDCs on HLbL and, crucially, provides robust uncertainty estimates. We find that intermediate states with masses between 1 and 2 GeV play a key role in reducing the theory error on HLbL. However, in the established dispersive formalism, in which the photon virtualities are kept fixed, not all these contributions are accessible. We thus develop a new dispersive framework for HLbL that enables the evaluation of effects from intermediate states with spin larger or equal to two and masses in the 1-2 GeV range, for which only model estimates with no reliable theory error exist. At variance with the established dispersive approach, we employ dispersion relations directly in the limit of a soft external photon, which corresponds to the magnetic field entering the definition of g – 2. We first discuss the formalism for a simpler case than HLbL, namely the correlator of two vector currents and one axial-vector current, which is closely related to one particular SDC for HLbL. Afterwards, we apply our novel approach to HLbL and work out the effects of single-particle intermediate states. For two-pion intermediate states, the dispersive treatments of new sub-processes are required and we therefore present a detailed analysis of pi pi -> gamma pi pi in the soft-photon limit. This paves the way for a model-independent inclusion of pi pi D-waves and tensor mesons into HLbL and thus for a reduction of the uncertainty of this contribution to the muon g – 2.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Dispersionsrelationen Anomales magnetisches Moment des Myons Hadronic Light-by-Light-Streuung Starke Wechselwirkung QCD Chirale Störungstheorie
Schlagwörter
(Englisch)
Dispersion Relations Anomalous Magnetic Moment of the Myon Hadronic Light-by-Light Scattering Strong Interaction QCD Chiral Perturbation Theory
Autor*innen
Jan Lüdtke
Haupttitel (Englisch)
Dispersion relations and the muon g-2 hadronic light-by-light contribution in multiple kinematic regions
Paralleltitel (Deutsch)
Dispersionsrelationen und der Hadronic Light-by-Light-Beitrag zum Myon g-2 in verschiedenen kinematischen Regionen
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
xv, 224 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Gilberto Colangelo ,
Anton Rebhan
AC Nummer
AC16859022
Utheses ID
66462
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |