Phenomenology of Massive Neutrinos: from Oscillations to new Physics
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Publication date
2014
Reading date
26-09-2014
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Abstract
Transiciones de sabor han sido observadas en diferentes
fuentes de neutrinos. Históricamente, una cantidad menor de neutrinos solares y
atmosféricos fue medida en comparación con lo esperado según los modelos
teóricos. En el 2002, el mecanismo de
oscilación explicó con éxito el déficit tanto de los neutrinos
solares como de los neutrinos atmosféricos. Actualmente, las transiciones de
sabor en neutrinos producidos en diversas fuentes como el Sol, la atmósfera
terrestre, aceleradores y reactores son correctamente descritas dentro del marco
de oscilación de tres neutrinos. Desde el punto de vista teórico, la
importancia de la oscilación de neutrinos radica en la existencia de neutrinos
masivos no considerada en primera instancia en el modelo estándar de partículas
(SM). Por lo tanto la oscilación de neutrinos es una de la evidencias
experimentales de física más allá del SM.
El mecanismo de oscilación, puede ser descrito por seis parámetros: tres
ángulos de mezcla, una fase de violación CP y dos escalas de masa definidas por
la diferencia de masas de neutrinos al cuadrado. Uno de los objetivos de esta
tesis es determinar los valores de los seis parámetros en mención, usando la
información disponible de los eventos de neutrinos de las diferentes fuentes
reportados por las colaboraciones experimentales. A lo largo del primer
capítulo de la tesis explicamos en qué consiste el mecanismo de oscilación, las
relaciones funcionales entre los parámetros de oscilación y cómo obtener los
valores de los parámetros dando ejemplos del análisis de datos experimentales
en ciertos canales de oscilación. Finalmente, mostramos los valores de los seis
parámetros de oscilación como resultado del análisis global de los experimentos
de neutrinos.
El sector leptónico del SM por lo tanto, debe ser extendido para incluir
neutrinos masivos, lo cual lleva a una mayor brecha entre las masas de las
partículas de las diferentes familias del SM. Adicionalmente, dos de los
ángulos
de mezcla, atmosférico y solar, son mucho más grandes que el ángulo de Cabbibo
(que caracteriza la mezcla en el sector de quarks). En particular, el ángulo de
mezcla atmosférico es compatible con el valor máximo de mezcla. Si asumimos
que
el ángulo de mezcla medido recientemente en experimentos de reactor es cero,
como era el caso antes de 2012, podríamos asumir que la estructura de la
mezcla de neutrinos tiene un patrón que puede ser consecuencia de imponer una
simetría de sabor. Éste ha sido el punto de partida hacia una formulación
basada en simetrías de sabor para explicar el patrón de mezcla en el sector
leptónico, en algunos casos incluyendo también el sector de quarks. Sin
embargo, el valor del ángulo de mezcla de reactores no es compatible con cero
lo cual no es simple de obtener a través de simetrías de sabor. En particular,
la estructura conocida como tri-bi-maximal, la cual es obtenida en modelos con
la simetría de sabor $A_4$, está excluida. En el segundo capítulo de esta tesis
mostramos cómo a partir de un modelo basado en la simetría de sabor $A_4$
conseguimos explicar la matriz de mezcla actual en el sector leptónico a través
de correcciones al sector cargado.
Está claro que debemos incluir neutrinos masivos en el SM. Sabemos
que las masas de los neutrinos pueden ser generadas efectivamente a través de
un operador de dimensión cinco pero, sin embargo, no sabemos la naturaleza de
dicho operador. Varias formas de generar el operador de dimensión cinco son
posibles, algunas implicando una alta escala (del orden de la escala GUT)
mientras que otras realizaciones pueden estar a una baja escala (del orden del
TeV). Así, los esquemas de baja escala, como el seesaw inverso y lineal, son
fenomenológicamente interesantes porque no solo explican la pequeñez de la masa
del neutrino sino que también contribuyen a procesos que violan el sabor
leptónico (LFV), saturando los limites actuales. Como la
escala seesaw es baja en estos modelos, la matriz leptónica de mezcla efectiva
no es unitaria lo que produce efectos no estándar (no incluida en el capítulo
1) en la propagación de los neutrinos. En el capítulo 3 estudiamos la
desviación de la unitariedad de la matriz de mezcla de los neutrinos usando los
límites de procesos que
violan el sabor leptónico con leptones cargados. Encontramos que la desviación
de la unitariedad, en estos modelos, pude ser hasta del uno por ciento.
Motivados por los efectos no estándar en los modelos de baja escala, como los
seesaw tipo inverso y lineal, en el último capítulo estudiamos, de una manera
independiente del modelo, las llamadas interacciones no estándar de
los neutrinos
(NSI). Tras introducir la parametrización de las NSI como operadores de
cuatro fermiones con acoplamientos generales proporcionales a la constante de
Fermi, determinamos los parámetros específicos que afectan la producción y la
detección de neutrinos generados en reactores. Notamos que las NSI afectan la
determinación del ángulo de mezcla $\theta_{13}$ dependiendo también de los
valores de las fases no estándar y de la fase de violación CP. Acotamos los
acoplamientos adimensionales de las NSI usando los datos de la colaboración
\texttt{Daya Bay}, que son los datos que han determinado mejor el ángulo de
mezcla $\theta_{13}$. Encontramos que los limites dependen de los valores de
las las fases no estándar y especialmente del tratamiento del error en la
determinación de la normalización del flujo de antineutrinos que viene de los
reactores.