Calcoli per il g-2 del muone: l'esperimento MUonE e le sue sfide

Regarding aμ = (gμ − 2)/2, the anomalous magnetic moment of the muon, a long-standing tension exists between the latest experimental results (0.19 ppm precision) and the theoretical predictions (0.37 ppm precision). This thesis work retraces the milestones in g-2 experiments and presents the the- oretical predictions for the Standard Model’s contributions, with particular focus on the Hadronic Vacuum Polarization aHVP μ , by far the main source of uncertainty. The classical methods, namely the time-like technique and the lattice QCD approach, are reviewed, before presenting the novel space-like proposal. In this purview the MUonE experiment was planned and its con- cept and working principles are detailed. Since the space-like approach aims to be competitive with the other methods, MUonE must achieve 10 ppm pre- cision on differential observables. The dedicated calculations are presented and eventually the original computation of the photon bremsstrahlung im- pact in an event consisting of a beam muon impinging on a nucleus in the target is detailed. This study lays the foundation for future studies de- voted to non-prompt pair production from the subsequent interaction of the bremsstrahlung photon with another nucleus in the target. On the other hand, MUonE experiment, the space-like approach and more generally the issue of the g − 2 puzzle represent open fields, still largely to be explored.

Per quanto riguarda aμ = (gμ − 2)/2, il momento magnetico anomalo del muone, esiste una tensione di lunga data tra gli ultimi risultati sperimentali (precisione di 0.19 ppm) e le previsioni teoriche (precisione di 0.37 ppm). Questa tesi ripercorre le tappe fondamentali degli esperimenti riguardanti il g-2 del muone e presenta le previsioni teoriche per i contributi del Mod- ello Standard, con particolare attenzione alla polarizzazione adronica del vuoto aHVP μ , di gran lunga la principale fonte di incertezza. Vengono esam- inati i metodi classici, vale a dire quello time-like e l’approccio della lattice QCD. Viene quindi presentata una nuova proposta: l’approccio space-like. In questa prospettiva, è stato pianificato l’esperimento MUonE, di cui sono spiegati i principi di funzionamento e il quadro teorico di riferimiento, com- prensivo dei calcoli riguardanti il processo di segnale e il background. Infine è riportato il calcolo originale, relativo all’emissione di un fotone da parte del muone che interagisce con un nucleo nel bersaglio. Questo studio getta le basi per futuri lavori dedicati alla produzione non-prompt di coppie in una successiva interazione del fotone di bremsstrahlung con un altro nucleo nel bersaglio. D’altro canto, l’esperimento MUonE, l’approccio space-like e più in generale la questione del g − 2 sono dei campi aperti, ancora ampiamente da esplorare.