Measurement of the anomalous precession frequency in the Muon g − 2 (E989) experiment at Fermilab

The muon anomalous magnetic moment, aµ = g−2 2 , is a low energy observable that can be both measured and computed with high precision, therefore it can provide an important test of the Standard Model and it is a sensitive probe for new physics. In particular, any discrepancy between the experimental value and the theoretical prediction can be due to Beyond Standard Model physics contribution. The E989 Muon g − 2 Experiment at Fermilab aims to measure aµ with a precision of 140 parts per billion, four time more precisely than the previous experiment at Brookhaven National Laboratory (BNL). E989 seeks to either resolve or confirm the observed discrepancy of 3.7σ between the Standard Model value and the experimental one. The aµ measurement requires a precise determination of both the muon spin anomalous precession frequency and the average magnetic field seen by the muons as they circulate in a storage ring. The anomalous precession frequency measurement is based on the time distribution of high-energy decay positrons observed by 24 electromagnetic calorimeters placed around the inner circumference of the ring, while the magnetic field is constantly monitored by NMR probes. Last spring, E989 has published a new measurement of aµ from the 2018 data-taking campaign, confirming the previous BNL value with comparable precision, bringing the discrepancy with the theoretical value to 4.2σ. The candidate worked on the measurement of the anomalous precession frequency and on the estimate of the related systematic uncertainties of the 2018 data, giving an important contribution to the data analysis. The result presented in chapters 4 and 5 of this dissertation was included, among three other analyses, to determine the estimate of the anomalous magnetic moment by the Muon g-2 experiment. This work will present the anomalous precession frequency analysis technique and its result, the related systematics and finally the latest aµ result.

Il momento magnetico anomalo del muone, aµ = g−2 2 , `e un osservabile di bassa energia che pu`o essere sia misurato che calcolato con grande precisione; pu`o quindi rappresentare una sonda sensibile per processi di nuova fisica. In particolare una deviazione del valore sperimentale da quello previsto teoricamente dal Modello Standard pu`o suggerire la presenza di contributi di nuova fisica. L’esperimento Muon g − 2 E989 a Fermilab mira alla misura di aµ con una precisione di 140 parti per miliardo, quattro volte pi`u preciso dell’esperimento precedente al Brookhaven National Laboratory (BNL). La misura di aµ richiede una determinazione precisa della frequenza di precessione anomala dello spin in un campo magnetico e l’intensit`a media del campo stesso a cui sono soggetti i muoni che circolano all’interno di un anello di accumulazione. La misura della frequenza di precessione `e basata sulla distribuzione temporale dei positroni ad alta energia (provenienti dal decadimento dei muoni) osservati da 24 calorimetri elettromagnetici posti lungo la circonferenza interna dell’anello. Il campo magnetico `e costantemente misurando da sonde NMR. La scorsa primavera la collaborazione di E989 ha pubblicato la misura di aµ dall’analisi dei dati raccolti nel 2018, confermando il valore misurato nell’esperimento a BNL con una precisione simile, portando la discrepanza con il valore teorico a 4.2σ. Il candidato, nel corso del lavoro di tesi, ha dato un contributo decisivo all’analisi dati, in particolare per quanto riguarda la misura della frequenza di precessione anomala sui dati del 2018 e le sistematiche ad essa associate. Il risultato presentato nei capitoli 4 e 5 di questa dissertazione infatti `e stato utilizzato, insieme ad altre tre analisi indipendenti, per determinare il valore del momento magnetico anomalo del muone recentemente pubblicato dalla collaborazione. In questo lavoro, verranno presentati la tecnica e il risultato questa analisi, la stima degli errori sistematici ad essa associati, e infine il calcolo di aµ con il risultato recentemente pubblicato.