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Christoph Lehner
Author with expertise in Particle Physics and High-Energy Collider Experiments
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The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model

Tadayoshi Aoyama et al.Aug 14, 2020
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.
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Calculation of the axion mass based on high-temperature lattice quantum chromodynamics

Szabolcs Borsányi et al.Nov 1, 2016
Unlike the electroweak sector of the standard model of particle physics, quantum chromodynamics (QCD) is surprisingly symmetric under time reversal. As there is no obvious reason for QCD being so symmetric, this phenomenon poses a theoretical problem, often referred to as the strong CP problem. The most attractive solution for this requires the existence of a new particle, the axion-a promising dark-matter candidate. Here we determine the axion mass using lattice QCD, assuming that these particles are the dominant component of dark matter. The key quantities of the calculation are the equation of state of the Universe and the temperature dependence of the topological susceptibility of QCD, a quantity that is notoriously difficult to calculate, especially in the most relevant high-temperature region (up to several gigaelectronvolts). But by splitting the vacuum into different sectors and re-defining the fermionic determinants, its controlled calculation becomes feasible. Thus, our twofold prediction helps most cosmological calculations to describe the evolution of the early Universe by using the equation of state, and may be decisive for guiding experiments looking for dark-matter axions. In the next couple of years, it should be possible to confirm or rule out post-inflation axions experimentally, depending on whether the axion mass is found to be as predicted here. Alternatively, in a pre-inflation scenario, our calculation determines the universal axionic angle that corresponds to the initial condition of our Universe.
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 Λb→pl−ν ̄

William Detmold et al.Aug 4, 2015
Measurements of the $\Lambda_b \to p \ell^- \bar{\nu}_\ell$ and $\Lambda_b \to \Lambda_c \ell^- \bar{\nu}_\ell$ decay rates can be used to determine the magnitudes of the CKM matrix elements $V_{ub}$ and $V_{cb}$, provided that the relevant hadronic form factors are known. Here we present a precise calculation of these form factors using lattice QCD with 2+1 flavors of dynamical domain-wall fermions. The $b$ and $c$ quarks are implemented with relativistic heavy-quark actions, allowing us to work directly at the physical heavy-quark masses. The lattice computation is performed for six different pion masses and two different lattice spacings, using gauge-field configurations generated by the RBC and UKQCD collaborations. The $b \to u$ and $b \to c$ currents are renormalized with a mostly nonperturbative method. We extrapolate the form factor results to the physical pion mass and the continuum limit, parametrizing the $q^2$-dependence using $z$-expansions. The form factors are presented in such a way as to enable the correlated propagation of both statistical and systematic uncertainties into derived quantities such as differential decay rates and asymmetries. Using these form factors, we present predictions for the $\Lambda_b \to p \ell^- \bar{\nu}_\ell$ and $\Lambda_b \to \Lambda_c \ell^- \bar{\nu}_\ell$ differential and integrated decay rates. Combined with experimental data, our results enable determinations of $|V_{ub}|$, $|V_{cb}|$, and $|V_{ub}/V_{cb}|$ with theory uncertainties of 4.4%, 2.2%, and 4.9%, respectively.