Authors:	Bucoveanu, Razvan-Daniel
Title:	Leptonic radiative corrections to lepton-proton scattering
Online publication date:	23-Jan-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	Low energy precision experiments have become an important tool in the search for new physics beyond the Standard Model (SM). These experiments can exclude new physics at mass scales extending well into the TeV range and are complementary to searches at the Large Hadron Collider (LHC). With polarized elastic electron proton scattering, one can determine the weak charge of the proton, which is related to the weak mixing angle in the SM. This can be achieved by measuring the asymmetry between leptons with positive and negative helicities. Deviations from the SM prediction for the weak mixing angle can provide important tests of models beyond the SM. A future experiment that plans to measure the weak charge of the proton at low energies and with high precision is the P2 experiment that will take place at the new MESA facility in Mainz. The present work is mostly motivated by this experiment and shows results that are relevant for this particular measurement. In addition, a μp scattering experiment, called MUSE, has been also proposed at the PSI with the aim to study the proton radius puzzle. In order to match the experimental precision of such experiments it is necessary not only to have an exhaustive treatment of first order radiative corrections, but also to go beyond first order and include a treatment of second order radiative corrections. In this work we aim to provide such a calculation for polarized and unpolarized lepton nucleon scattering, that includes both virtual and real corrections to the lepton lines. We re-derive first order corrections, including also hadronic corrections, relying as little as possible on approximations. The main focus is however on second order corrections, including a new calculation of two photon bremsstrahlung. Photon radiation leads to a shift in the measured Q2 , that translates in a 5% correction to the parity violating asymmetry. For this reason we present the effects of first and second order photon radiation on the asymmetry. Finally we present a first order calculation of lepton carbon scattering which is also relevant for the MESA experiments. All the calculations that were done in this work were included in a Monte Carlo event generator called POLARES, that can be used to simulate both unpolarized and polarized lepton nucleon scattering events for the aforementioned experiments and possibly other future low energy precision experiments. Niederenergie-Präzisionsexperimente sind zu einem wichtigen Instrument bei der Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells (SM) geworden. Diese Experimente können neue Physik auf Massenskalen bis weit in den TeV-Bereich hinein ausschließen und ergänzen die Suche am Large Hadron Collider (LHC). Mit der polarisierten elastischen Elektron-Proton-Streuung kann man die schwache Ladung des Protons bestimmen, die mit dem schwachen Mischungswinkel im SM zusammenhängt. Dies kann durch die Messung der Asymmetrie zwischen Leptonen mit positiven und negativen Helizitäten erreicht werden. Abweichungen von der SM-Vorhersage für den schwachen Mischungswinkel können wichtige Tests für Modelle jenseits des SM liefern. Ein zukünftiges Experiment, mit dem auch die schwache Ladung des Protons bei niedrigen Energien und mit hoher Präzision gemessen werden soll, ist das P2-Experiment, das an der neuen MESA-Anlage in Mainz durchgeführt werden soll. Die vorliegende Arbeit ist hauptsächlich durch dieses Experiment motiviert und zeigt Ergebnisse, die für diese spezielle Messung relevant sind. Zusätzlich, wurde am PSI auch ein μp-Streuexperiment namens MUSE vorgeschlagen, um das Rätsel um den Protonenradius zu untersuchen. Um die experimentelle Präzision solcher Experimente zu erreichen, ist nicht nur eine um- fassende Behandlung der Strahlungskorrekturen erster Ordnung erforderlich, sondern auch eine Behandlung der Strahlungskorrekturen zweiter Ordnung. Ziel dieser Arbeit ist es, eine Berechnung zweiter Ordnung für polarisierte und unpolarisierte Lepton-Nukleon-Streuung bereitzustellen, die sowohl virtuelle als auch reelle Korrekturen an den Leptonenlinien beinhaltet. Wir leiten die Korrekturen erster Ordnung, einschließlich der hadronischen Korrekturen, neu ab und stützen uns dabei so wenig wie möglich auf Näherungen. Das Hauptaugenmerk liegt jedoch auf den Korrekturen zweiter Ordnung, einschließlich einer neuen Berechnung der Zwei-Photonen-Bremsstrahlung. Die Photonenstrahlung führt zu einer Verschiebung des gemessenen Q2 , was sich in einer 5%-Korrektur der parität verletzende Asymmetrie niederschlägt. Aus diesem Grund stellen wir die Auswirkungen von Photonenstrahlung erster und zweiter Ordnung auf die Asymmetrie dar. Schließlich stellen wir auch eine Berechnung erster Ordnung für die Lepton-Kohlenstoff-Streuung vor, die auch für die MESA-Experimente relevant ist. Alle in dieser Arbeit durchgeführten Berechnungen wurden in einen Monte Carlo Ereignis- generator namens POLARES aufgenommen. Dieser Monte Carlo Ereignisgenerator kann zur Simulation von unpolarisierten und polarisierten Lepton-Nukleon-Streuereignissen für die oben genannten Experimente und möglicherweise für künftige Präzisionsexperimente verwendet werden.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-8505
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-eeb675ee-783a-4b64-bd14-d025fa5a58d99
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	CC BY
Information on rights of use:	https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Extent:	145 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen