We review the present status of the Standard Model calculation of the anomalous magnetic moment of the muon. This is performed in a perturbative expansion in the fine-structure constant α and is broken down into pure QED, electroweak, and hadronic contributions. The pure QED contribution is by far the largest and has been evaluated up to and including O(α5) with negligible numerical uncertainty. The electroweak contribution is suppressed by (mμ∕MW)2 and only shows up at the level of the seventh significant digit. It has been evaluated up to two loops and is known to better than one percent. Hadronic contributions are the most difficult to calculate and are responsible for almost all of the theoretical uncertainty. The leading hadronic contribution appears at O(α2) and is due to hadronic vacuum polarization, whereas at O(α3) the hadronic light-by-light scattering contribution appears. Given the low characteristic scale of this observable, these contributions have to be calculated with nonperturbative methods, in particular, dispersion relations and the lattice approach to QCD. The largest part of this review is dedicated to a detailed account of recent efforts to improve the calculation of these two contributions with either a data-driven, dispersive approach, or a first-principle, lattice-QCD approach. The final result reads aμSM=116591810(43)×10−11 and is smaller than the Brookhaven measurement by 3.7σ. The experimental uncertainty will soon be reduced by up to a factor four by the new experiment currently running at Fermilab, and also by the future J-PARC experiment. This and the prospects to further reduce the theoretical uncertainty in the near future – which are also discussed here – make this quantity one of the most promising places to look for evidence of new physics.

We present the first results of the PACS-CS project which aims to simulate 2+1 flavor lattice QCD on the physical point with the nonperturbatively $O(a)$-improved Wilson quark action and the Iwasaki gauge action. Numerical simulations are carried out at the lattice spacing of $a=0.0907(13)$fm on a $32^3\times 64$ lattice with the use of the DDHMC algorithm to reduce the up-down quark mass. Further algorithmic improvements make possible the simulation whose ud quark mass is as light as the physical value. The resulting PS meson masses range from 702MeV down to 156MeV, which clearly exhibit the presence of chiral logarithms. An analysis of the PS meson sector with SU(3) ChPT reveals that the NLO corrections are large at the physical strange quark mass. In order to estimate the physical ud quark mass, we employ the SU(2) chiral analysis expanding the strange quark contributions analytically around the physical strange quark mass. The SU(2) LECs ${\bar l}_3$ and ${\bar l}_4$ are comparable with the recent estimates by other lattice QCD calculations. We determine the physical point together with the lattice spacing employing $m_\pi$, $m_K$ and $m_\Omega$ as input. The hadron spectrum extrapolated to the physical point shows an agreement with the experimental values at a few % level of statistical errors, albeit there remain possible cutoff effects. We also find that our results of $f_\pi=134.0(4.2)$MeV, $f_K=159.4(3.1)$MeV and $f_K/f_\pi=1.189(20)$ with the perturbative renormalization factors are compatible with the experimental values. For the physical quark masses we obtain $m_{\rm ud}^\msbar=2.527(47)$MeV and $m_{\rm s}^\msbar=72.72(78)$MeV extracted from the axial-vector Ward-Takahashi identity with the perturbative renormalization factors.

We report the first result for the hadronic light-by-light scattering contribution to the muon anomalous magnetic moment with all errors systematically controlled. Several ensembles using 2+1 flavors of physical mass Möbius domain-wall fermions, generated by the RBC and UKQCD collaborations, are employed to take the continuum and infinite volume limits of finite volume lattice QED+QCD. We find a_{μ}^{HLbL}=7.87(3.06)_{stat}(1.77)_{sys}×10^{-10}. Our value is consistent with previous model results and leaves little room for this notoriously difficult hadronic contribution to explain the difference between the standard model and the BNL experiment.

We have simulated QCD using 2+1 flavors of domain wall quarks on a $(2.74 {\rm fm})^3$ volume with an inverse lattice scale of $a^{-1} = 1.729(28)$ GeV. The up and down (light) quarks are degenerate in our calculations and we have used four values for the ratio of light quark masses to the strange (heavy) quark mass in our simulations: 0.217, 0.350, 0.617 and 0.884. We have measured pseudoscalar meson masses and decay constants, the kaon bag parameter $B_K$ and vector meson couplings. We have used SU(2) chiral perturbation theory, which assumes only the up and down quark masses are small, and SU(3) chiral perturbation theory to extrapolate to the physical values for the light quark masses. While next-to-leading order formulae from both approaches fit our data for light quarks, we find the higher order corrections for SU(3) very large, making such fits unreliable. We also find that SU(3) does not fit our data when the quark masses are near the physical strange quark mass. Thus, we rely on SU(2) chiral perturbation theory for accurate results. We use the masses of the $\Omega$ baryon, and the $\pi$ and $K$ mesons to set the lattice scale and determine the quark masses. We then find $f_\pi = 124.1(3.6)_{\rm stat}(6.9)_{\rm syst} {\rm MeV}$, $f_K = 149.6(3.6)_{\rm stat}(6.3)_{\rm syst} {\rm MeV}$ and $f_K/f_\pi = 1.205(0.018)_{\rm stat}(0.062)_{\rm syst}$. Using non-perturbative renormalization to relate lattice regularized quark masses to RI-MOM masses, and perturbation theory to relate these to $\bar{\rm MS}$ we find $ m_{ud}^{\bar{\rm MS}}(2 {\rm GeV}) = 3.72(0.16)_{\rm stat}(0.33)_{\rm ren}(0.18)_{\rm syst} {\rm MeV}$ and $m_{s}^{\bar{\rm MS}}(2 {\rm GeV}) = 107.3(4.4)_{\rm stat}(9.7)_{\rm ren}(4.9)_{\rm syst} {\rm MeV}$.

We present a first-principles lattice QCD+QED calculation at physical pion mass of the leading-order hadronic vacuum polarization contribution to the muon anomalous magnetic moment. The total contribution of up, down, strange, and charm quarks including QED and strong isospin breaking effects is a_{μ}^{HVP LO}=715.4(18.7)×10^{-10}. By supplementing lattice data for very short and long distances with R-ratio data, we significantly improve the precision to a_{μ}^{HVP LO}=692.5(2.7)×10^{-10}. This is the currently most precise determination of a_{μ}^{HVP LO}.

We present results for several light hadronic quantities ($f_\pi$, $f_K$, $B_K$, $m_{ud}$, $m_s$, $t_0^{1/2}$, $w_0$) obtained from simulations of 2+1 flavor domain wall lattice QCD with large physical volumes and nearly-physical pion masses at two lattice spacings. We perform a short, O(3)%, extrapolation in pion mass to the physical values by combining our new data in a simultaneous chiral/continuum `global fit' with a number of other ensembles with heavier pion masses. We use the physical values of $m_\pi$, $m_K$ and $m_\Omega$ to determine the two quark masses and the scale - all other quantities are outputs from our simulations. We obtain results with sub-percent statistical errors and negligible chiral and finite-volume systematics for these light hadronic quantities, including: $f_\pi$ = 130.2(9) MeV; $f_K$ = 155.5(8) MeV; the average up/down quark mass and strange quark mass in the $\bar {\rm MS}$ scheme at 3 GeV, 2.997(49) and 81.64(1.17) MeV respectively; and the neutral kaon mixing parameter, $B_K$, in the RGI scheme, 0.750(15) and the $\bar{\rm MS}$ scheme at 3 GeV, 0.530(11).

We present physical results obtained from simulations using 2+1 flavors of domain wall quarks and the Iwasaki gauge action at two values of the lattice spacing $a$, ($a^{-1}$=\,1.73\,(3)\,GeV and $a^{-1}$=\,2.28\,(3)\,GeV). On the coarser lattice, with $24^3\times 64\times 16$ points, the analysis of ref.[1] is extended to approximately twice the number of configurations. The ensembles on the finer $32^3\times 64\times 16$ lattice are new. We explain how we use lattice data obtained at several values of the lattice spacing and for a range of quark masses in combined continuum-chiral fits in order to obtain results in the continuum limit and at physical quark masses. We implement this procedure at two lattice spacings, with unitary pion masses in the approximate range 290--420\,MeV (225--420\,MeV for partially quenched pions). We use the masses of the $\pi$ and $K$ mesons and the $\Omega$ baryon to determine the physical quark masses and the values of the lattice spacing. While our data are consistent with the predictions of NLO SU(2) chiral perturbation theory, they are also consistent with a simple analytic ansatz leading to an inherent uncertainty in how best to perform the chiral extrapolation that we are reluctant to reduce with model-dependent assumptions about higher order corrections. Our main results include $f_\pi=124(2)_{\rm stat}(5)_{\rm syst}$\,MeV, $f_K/f_\pi=1.204(7)(25)$ where $f_K$ is the kaon decay constant, $m_s^{\bar{\textrm{MS}}}(2\,\textrm{GeV})=(96.2\pm 2.7)$\,MeV and $m_{ud}^{\bar{\textrm{MS}}}(2\,\textrm{GeV})=(3.59\pm 0.21)$\,MeV\, ($m_s/m_{ud}=26.8\pm 1.4$) where $m_s$ and $m_{ud}$ are the mass of the strange-quark and the average of the up and down quark masses respectively, $[\Sigma^{\msbar}(2 {\rm GeV})]^{1/3} = 256(6)\; {\rm MeV}$, where $\Sigma$ is the chiral condensate, the Sommer scale $r_0=0.487(9)$\,fm and $r_1=0.333(9)$\,fm.

We present a general class of unbiased improved estimators for physical observables in lattice gauge theory computations which significantly reduces statistical errors at modest computational cost. The idea can be easily adapted to other branches of physics and computational science that employ Monte Carlo methods. The error reduction techniques, referred to as covariant approximation averaging, utilize approximations which are covariant under lattice symmetry transformations. We observe cost reductions from the new method compared to the traditional one, for fixed statistical error, of 16 times for the nucleon mass at ${M}_{\ensuremath{\pi}}\ensuremath{\sim}330\text{ }\text{ }\mathrm{MeV}$ (domain-wall quark) and 2.6--20 times for the hadronic vacuum polarization at ${M}_{\ensuremath{\pi}}\ensuremath{\sim}315\text{ }\text{ }\mathrm{MeV}$ (Asqtad quark). These cost reductions should improve with decreasing quark mass and increasing lattice sizes.

We report the first lattice QCD calculation of the complex kaon decay amplitude $A_0$ with physical kinematics, using a $32^3\times 64$ lattice volume and a single lattice spacing $a$, with $1/a= 1.3784(68)$ GeV. We find Re$(A_0) = 4.66(1.00)(1.26) \times 10^{-7}$ GeV and Im$(A_0) = -1.90(1.23)(1.08) \times 10^{-11}$ GeV, where the first error is statistical and the second systematic. The first value is in approximate agreement with the experimental result: Re$(A_0) = 3.3201(18) \times 10^{-7}$ GeV while the second can be used to compute the direct CP violating ratio Re$(\varepsilon'/\varepsilon)=1.38(5.15)(4.59)\times 10^{-4}$, which is $2.1\sigma$ below the experimental value $16.6(2.3)\times 10^{-4}$. The real part of $A_0$ is CP conserving and serves as a test of our method while the result for Re$(\varepsilon'/\varepsilon)$ provides a new test of the standard-model theory of CP violation, one which can be made more accurate with increasing computer capability.