A high-precision continuum limit study of the HVP short-distance window

URN zum Zitieren dieses Dokuments:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-768315
DOI zum Zitieren dieses Dokuments:: 10.5283/epub.76831

Spiegel, Sebastian

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Veröffentlichungsdatum dieses Volltextes: 11 Jun 2025 04:28

Details

Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	11 Juni 2025
Begutachter (Erstgutachter):	Prof. Dr. Christoph Lehner
Tag der Prüfung:	3 Juni 2025
Institutionen:	Physik > Institut für Theoretische Physik
Stichwörter / Keywords:	Lattice Quantum Chromodynamics, Standard Model, Muon anomalous magnetic moment, Hadronic Vacuum Polarization, High-precision calculations, Numerical simulations
Dewey-Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Status:	Veröffentlicht
Begutachtet:	Ja, diese Version wurde begutachtet
An der Universität Regensburg entstanden:	Ja
Dokumenten-ID:	76831

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Zusammenfassung (Englisch)

Zusammenfassung (Englisch)

Precision tests are an essential tool in probing the Standard Model (SM) of particle physics. By pushing theoretical and experimental uncertainties to ever-smaller margins, one can either strengthen confidence in the SM or reveal tensions that could signal new physics. One quantity that has received significant attention in recent years is the anomalous magnetic moment of the muon $a_\mu$ which has been measured to a remarkable precision of 0.19 ppm, with even greater precision expected in the near future. It is therefore of utmost importance that theoretical calculations match this precision. The dominant source of theoretical uncertainty arises from hadronic contributions, in particular from the leading-order hadronic vacuum polarization (HVP). While the current theory prediction relies on a dispersive approach using experimental $e^+e^-$ scattering data, lattice quantum chromodynamics (QCD) has seen major advances in recent years, making sub-percent level calculations increasingly feasible. At the same time, concerns have emerged regarding the reliability of the experimental $e^+e^-$ data. Therefore, independent, high-precision lattice studies are essential to further scrutinize the SM prediction of $a_\mu$ . This thesis represents an important step towards re-establishing a robust, high-precision SM prediction.

The separation of the HVP contribution into Euclidean windows allows for a tailored approach to address the different dominant challenges encountered at short, intermediate, and long distances. In this thesis, a novel lattice approach is presented to determine the short-distance contribution to the leading-order HVP without relying on input from perturbative QCD. The method combines a continuum extrapolation in the quenched approximation across 18 lattice spacings ( $1.57 \,\text{GeV} \lesssim a^{-1} \lesssim 6.10\,\text{GeV}$ ) with a separate continuum extrapolation of the dynamical theory, including sea-quark effects. This separation enables the computationally expensive sea-quark contributions to be estimated using only four ensembles at coarser lattice spacings ( $1.73 \,\text{GeV} \lesssim a^{-1} \lesssim 3.53\,\text{GeV}$ ), while largely confining the logarithmic dependency of the continuum extrapolation to the quenched component.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Präzisionstests sind ein essentielles Werkzeug, um das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik zu überprüfen. Durch das stetige Verringern theoretischer und experimenteller Unsicherheiten können entweder das Vertrauen in das SM gestärkt oder Spannungen aufgezeigt werden, die Hinweise auf neue Physik sein könnten. Eine Größe, die in den letzten Jahren besonders viel Aufmerksamkeit erfahren hat, ist das anomale magnetische Moment des Myons $a_\mu$ , das mit einer bemerkenswerten Präzision von 0,19 ppm gemessen wurde, wobei eine noch höhere Genauigkeit in naher Zukunft erwartet wird. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, dass theoretische Berechnungen diese Präzision erreichen. Die dominierende Quelle theoretischer Unsicherheit entsteht aus hadronischen Beiträgen, insbesondere aus der hadronischen Vakuumpolarisation (HVP) in führender Ordnung. Während die derzeitige theoretische Vorhersage auf einem dispersiven Ansatz basiert, der experimentelle $e^+e^-$ -Streudaten nutzt, hat die Gitter-Quantenchromodynamik (QCD) in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte gemacht, wodurch Berechnungen auf dem Sub-Prozent-Niveau zunehmend machbar werden. Gleichzeitig sind Bedenken hinsichtlich der Zuverlässigkeit der experimentellen $e^+e^-$ -Daten aufgekommen. Daher sind unabhängige, hochpräzise Gitterstudien essenziell, um die SM-Vorhersage für $a_\mu$ weiter kritisch zu überprüfen. Diese Arbeit stellt einen wichtigen Schritt dar, um eine robuste, hochpräzise SM-Vorhersage wiederherzustellen.

Die Zerlegung des HVP-Beitrags in euklidische Fenster ermöglicht eine gezielte Behandlung der verschiedenen Herausforderungen, die auf kurzen, mittleren und langen Distanzen dominieren. In dieser Arbeit wird ein neuer Gitteransatz vorgestellt, um den Kurzdistanzbeitrag zur führenden Ordnung der HVP zu bestimmen, ohne auf Eingaben aus perturbativer QCD zurückzugreifen. Die Methode kombiniert eine Kontinuumsextrapolation in der gequenchten Näherung über 18 Gitterabstände ( $1{,}57,\text{GeV} \lesssim a^{-1} \lesssim 6{,}10,\text{GeV}$ ) mit einer separaten Kontinuumsextrapolation der dynamischen Theorie einschließlich der Effekte von Seequarks. Diese Trennung ermöglicht es, die rechenintensiven Beiträge der Seequarks mit nur vier Ensembles bei gröberen Gitterabständen ( $1{,}73,\text{GeV} \lesssim a^{-1} \lesssim 3{,}53,\text{GeV}$ ) abzuschätzen, während die logarithmische Abhängigkeit der Kontinuumsextrapolation größtenteils auf den gequenchten Anteil beschränkt bleibt.