Transverse-momentum distributions in neutrino-nucleon scattering.

One of the main goals of physics is to understand the inner structure of matter. To achieve this result, studying the composition of protons and neutrons (nucleons) is mandatory. As we know, the theory of QCD, whose aim is to describe the fundamental components of nucleons and their in- teractions, is difficult to solve in a nonperturbative regime, where the strong coupling constant is large. This property of QCD is usually called confinement while the asymptotic freedom is the other side of the coin, telling us that at high energies the strong coupling constant is small and quarks and gluons can be treated as approximately free. In the non- perturbative regime the internal structure of nucleons can be described in terms of parton distributions functions (PDF). PDFs can in turn be inves- tigated using deep-inelastic-scattering processes (DIS). This thesis has two goals, the first one is to show how to compute the physical observables (the structure functions) related to semi-inclusive deep-inelastic scattering in the charged-current neutrino-proton channel, both in the unpolarized and polarized case, the second one is to produce phenomenological estimates for the structure functions. These steps are essential for an assessment of the impact that future experiments (such as the FASERν and SND@LHC at the LHC, as well as the proposed For- ward Physics Facility (FPF)) would have on the determination of the transverse-momentum-dependent PDFs.

Uno degli obiettivi principali della fisica è comprendere la struttura interna della materia. Per raggiungere questo risultato, è necessario studiare la composizione di protoni e neutroni (nucleoni). Come sappiamo, la teoria della QCD, il cui scopo è descrivere i componenti fondamentali dei nucleoni e le loro interazioni, risulta difficile da risolvere in un regime non perturbativo, dove la costante di accoppiamento dell'interazione forte assume valori grandi. Questa proprietà della QCD è solitamente chiamata confinamento, mentre la libertà asintotica rappresenta l’altro lato della medaglia, indicandoci che ad alte energie la costante di accoppiamento forte è piccola e quark e gluoni possono essere trattati come approssimativamente liberi. Nel regime non perturbativo, la struttura interna dei nucleoni può essere descritta in termini di funzioni di distribuzione dei partoni (PDF). Le PDF possono a loro volta essere studiate tramite processi di deep-inelastic-scattering (DIS). Questa tesi ha due obiettivi: il primo è mostrare come calcolare le osservabili fisiche (le funzioni di struttura) relative al semi-inclusive deep-inelastic-scattering nel canale neutrino-protone, sia nel caso non polarizzato che in quello polarizzato; il secondo è quello di produrre stime fenomenologiche per le funzioni di struttura. Questi passaggi sono essenziali per valutare l’impatto che futuri esperimenti (come FASERν e SND@LHC al LHC, nonché la Forward Physics Facility (FPF)) avrebbero sulla determinazione delle PDF dipendenti dal momento trasverso.