Electromagnetic dipole moments of fermions

The electric (EDM) and magnetic (g-2) dipole moments are static properties sensitive to quantum corrections induced by the virtual particles that populate the vacuum. Indeed, they are well suited to test the Standard Model of Elementary of particle physics and to unveil unknown New Physics (NP) hidden at high energy. The electron and muon g-2 have been measured with the wonderful precision of 0.24 ppb and 0.54 ppm, respectively, and thus they represent one of the strongest confirmation of the SM and greatest achievement in Quantum Field Theory. Nonetheless the SM deficiencies, the explanation of dark matter and dark energy, cosmological inflaton, neutrino oscillations and masses, the strong CP problem and the origin of matter-antimatter asymmetry, call for new physics beyond the SM. Since NP contribution to the dipole moments of a fermion f is expected to be proportional to m_f^2, dipole moments of heavy fermions, such as the top quark or the tau lepton, are much more sensitive to NP effects than the electron or muon ones. However the very short lifetime of these unstables particle makes it impossible to directly measure their electromagnetic properties. Therefore, indirect information must be obtain by precisely measuring cross sections and decay rates in processes involving the emission of a real photon by the heavy fermion. In this thesis, we investigate the possibility to measure the anomalous magnetic moment and the electric dipole moment of the top quark at the LHC and tau lepton at future high luminosity B-factories.

I momenti di dipolo magnetico ed elettrico sono proprietà sensibili alle fluttuazioni quantistiche indotte dalle particelle visuali che popolano il vuoto. Per questo motivo, essi sono particolarmente adatti a testare il Modello Standard della fisica delle particelle e a svelare Nuova Fisica nascosta ad alta energia. I g-2 dell’elettrone e del muon sono stati misurati, rispettivamente, con la meravigliosa precisione di 0.24 ppb e 0.54 ppm: essi rappresentano una delle maggiori conferme del Modello Standard e uno delle più grandi conquiste della Teoria dei Campi. Tuttavia, il Modello Standard non spiega materia oscura ed energia oscura, l’inflazione cosmologica, il problema di strong-CP e l’origine dell’asimmetria materia-antimateria, e dunque richiede nuova fisica oltre il Modello Standard. Poiché contributi di nuova fisica ai momenti di dipolo di una particella f sono stimati essere proporzionai alla m_f^2, i momenti di dipolo di fermioni pesanti, come il leptone tau e il quark top, sono molto più sensibili ad effetti di nuova fisica rispetto quelli dell’elettrone o del muone. Tuttavia, la breve vita media di queste particelle instabili rende impossibile la misurazione diretta delle loro proprietà elettromagnetiche. Quindi, informazioni su di esse devono essere ottenute indirettamente a partire dalla misurazione di sezioni d’urto e larghezze di decadimento in processi che coinvolgono l’emissione di un fotone reale da parte del fermione pesante. In questa tesi si analizza la possibilità di misurare il momento magnetico anomalo e il momento di dipolo elettrico del quark top, a LHC, e del leptone tau alle future B-factory ad alta luminosità.