Neutrino masses and dark mattera path to new physics

Resumen

Esta tesis doctoral se ha centrado en dos de las evidencias más convincentes sobre la necesidad de física más allá del Modelo Estándar (SM): las masas de los neutrinos y la materia oscura (DM). La escala de esta nueva física (NP) es completamente desconocida, por lo que hemos adoptado un enfoque fenomenológico, con su testabilidad como objetivo primordial. En este sentido, nos hemos centrado en los modelos de masas de neutrinos radiativas, a la escala del TeV, y se ha supuesto que la materia oscura es una partícula masiva de interacción débil (WIMP), de masa (1 - 1000) GeV. La primera parte de la tesis se dedica al estudio de modelos de masas de neutrinos generadas radiativamente. Éstos explican por qué las masas de los neutrinos son mucho menores que las del resto de los fermiones: los neutrinos no tienen masa a nivel árbol, siendo su masa generada radiativamente a uno, dos o tres loops (más loops típicamente producen masas de los neutrinos demasiado pequeñas). Además, gracias a la supresión de los loops y a la presencia obligatoria de varios acoplamientos para violar número leptónico (LN), estos modelos tienen partículas a una escala lo suficientemente baja como para dar señales en colisionadores, como el LHC, y en los experimentos de baja energía como los que buscan violación de sabor o de número leptónico. En esta tesis se ha estudiado la generación de la masa de los neutrinos radiativamente a dos loops, tanto a través de nuevos fermiones (nuevas familias) como de nuevos escalares (el modelo Zee-Babu). También se estudió la conexión de estos modelos de masas de neutrinos con otros aspectos de física de altas energías, como la física del Higgs, ya sea indirectamente, por ejemplo a través de modificaciones de la señal de Higgs a fotones o directamente, a través de la detección de las nuevas partículas. En los primeros trabajos, se analizó en detalle la posibilidad de la existencia de una cuarta generación secuencial del SM, abordando en particular las propiedades de los neutrinos ligeros y su naturaleza [1]. El neutrino de la cuarta generación debe ser mucho más pesado que los otros, por lo que la opción más plausible es la existencia de un neutrino dextrógiro para darle masa. Nos dimos cuenta de que si los neutrinos ligeros son partículas de Majorana, hay una contribución a la masa de Majorana de este neutrino dextrógiro a dos loops. Por lo tanto, el neutrino de la cuarta generación también debe ser Majorana, a menos que se imponga cierta simetría en los leptones de la cuarta generación. Se analizaron en detalle las posibles implicaciones de tener un neutrino pesado de Majorana de la cuarta generación. En particular, se generan masas de los neutrinos ligeros a dos loops, y esta contribución puede superar fácilmente el límite cosmológico de la escala de masa absoluta de los neutrinos. Sin embargo, incluso si hay una contribución a las masas de los neutrinos ligeros, su espectro no se puede explicar con sólo una familia adicional. Por lo tanto, en un trabajo diferente, se estudió la posibilidad de que los neutrinos ligeros fueran sin masa a nivel árbol, con sus masas generadas a dos loops por la acción de los nuevos fermiones, por ejemplo, con dos generaciones adicionales [2]. Actualmente, gracias al LHC, la existencia de nuevas generaciones secuenciales de partículas ha sido descartada, al menos si el sector escalar comprende sólo el bosón de Higgs del SM, debido al hecho de que la producción del bosón de Higgs aumenta con la presencia de los nuevos fermiones (y también sus desintegraciones varían significativamente si existe una nueva familia). Existen algunas posibilidades que pueden salvar a la cuarta generación, como un sector escalar mayor, por ejemplo, con un doblete de Higgs adicional que sólo se acopla a la cuarta familia. Aun así, cotas a los fermiones de la cuarta generación están muy cerca del límite perturbativo: en el caso de los quarks < 600 GeV. En otro trabajo hemos revisado el modelo de Zee-Babu [3] a la luz de los nuevos datos, por ejemplo, el ángulo de mezcla teta_13, el nuevo bound de violación de sabor en muones y los resultados del LHC. Nos encontramos con que los datos de oscilación de neutrinos y las restricciones de bajas energías siguen siendo compatibles con masas de los nuevos escalares accesibles al LHC. Si alguno de los escalares es descubierto, el modelo puede ser falsable por la combinación de información sobre los modos de desintegración con los datos de neutrinos. Por el contrario, si se encuentra que el espectro de neutrinos es invertido y la fase CP es muy diferente de ~ Pi, las masas de los escalares cargados estarán fuera del alcance del LHC. En un sentido amplio, se ha tratado de arrojar algo de luz sobre las diferentes formas de generar masas de los neutrinos radiativamente, centrándonos en que fueran comprobables, siempre con la mirada puesta en las posibles señales en el LHC, y en su conexión con otras ramas de la física de altas energías. Esperemos que, con más información experimental, la naturaleza nos ayude a averiguar de qué forma entre la larga lista de posibilidades ganan masa los neutrinos. Por el momento, podemos decir que las familias adicionales se encuentran en muy mal estado, mientras que el Zee-Babu sigue vivo y listo para ser descubierto en el LHC! Recientemente también he publicado un artículo [9] del trabajo realizado en Chicago, que trata sobre operadores efectivos de masas de neutrinos y desintegración del protón en el contexto de modelos de gran unificación. Respecto a la DM, nos hemos dedicado al estudio de los límites que pueden ponerse en su modulación anual. Si la DM son partículas que interaccionan débilmente con el SM (WIMPs), pueden ser observadas en experimentos de detección directa. Éstos son muy difíciles de realizar, ya que el número de eventos esperado de la DM es muy bajo y las señales del fondo son muy grandes, incluso cuando los experimentos se colocan en laboratorios a mucha profundidad. La modulación anual que debe estar presente en la señal de experimentos de detección directa, debido al movimiento relativo de la Tierra alrededor del Sol, podría ayudar a discriminar una señal de DM del fondo (algunas señales de fondo modulan, como los muones, pero la fase no tiene por qué coincidir con la esperada de DM). Un punto importante a tener en cuenta en la interpretación de una señal DM es que las tasas están sujetas a incertidumbres astrofísicas, como la distribución de velocidades de la DM, la densidad local o la velocidad de escape, por lo que es importante ser lo más independiente de los parámetros astrofísicos como sea posible. Ésto se puede hacer representando la integral de la distribución de velocidades dividida entre la velocidad de los diferentes experimentos en el mismo rango de velocidades. En esta tesis, hemos deducido restricciones a la modulación anual en términos de la tasa total de eventos (no modulada), que son casi independientes de las incertidumbres astrofísicas, mediante el desarrollo a primer orden en la velocidad de la Tierra alrededor del Sol. Éste test es una prueba importante que cualquier señal de modulación anual tiene que pasar. Aplicamos estos límites a las modulaciones vistas por DAMA y CoGeNT [4], y obtuvimos que la modulación de DAMA es compatible con su tasa constante, mientras que la de CoGeNT está excluida para halos típicos de DM a & 90% CL. En un segundo trabajo demostramos como las cotas de la modulación de un experimento en función de su tasa constante, obtenidas en el anterior trabajo, pueden aplicarse entre experimentos diferentes, en el mismo rango de velocidades. Los aplicamos a la modulación de DAMA frente a los resultados nulos de XENON, CDMS y otros experimentos [5]. Una interpretación en términos de DM de la modulación de DAMA está desfavorecida por al menos un experimento en más de 4 desviases estándar, para una masa de la DM< 15 GeV, para todo tipo de interacciones. También hemos ampliado el análisis al caso de scattering inelástico [6], mostrando como DAMA es incompatible con XENON 100 también en este caso. En un sentido amplio, hemos hallado límites independientes de la astrofísica que las modulaciones anuales tienen que cumplir. Con suerte, este tipo de pruebas va a ayudar a discriminar entre señales verdaderas de DM y fondos. Es importante destacar que es una condición necesaria para que la modulación sea de DM, pero no suficiente. Después de aplicar los límites a las modulaciones anuales de DAMA y CoGeNT y compararlos con los otros experimentos que no ven DM, éstas están muy desfavorecidas interpretadas como debidas a DM. Esperamos que en los próximos años más datos experimentales ayuden a clarificar la actual situación, que es confusa, y esperemos que la DM esté allí fuera lista para ser descubierta de una manera u otra! Bibliografía (publicaciones) Gracias a la investigación realizada, la tesis cuenta con 7 artículos (6 publicados en 2 JHEP, 2 JCAP, PRL y NPB, y otro pendiente de publicación en PRD, revistas del más alto índice de impacto), y que cuentan con alrededor de 60 citas. On the nature of the fourth generation neutrino and its implications [1] A. Aparici, J. Herrero-Garcia, N. Rius and A. Santamaria. JHEP 1207 (2012) 030 Neutrino masses from new generations [2] A. Aparici, J. Herrero-Garcia, N. Rius and A. Santamaria. JHEP 1107 (2011) 122 The Zee-Babu model revisited in light of new data [3] J. Herrero-Garcia, M. Nebot, N. Rius and A. Santamaria. http://arXiv.org/abs/arXiv:1402.4491 On the annual modulation signal in dark matter direct detection [4] J. Herrero-Garcia, T. Schwetz and J. Zupan. JCAP 1203 (2012) 005 Astrophysics independent bounds on the annual modulation of dark matter signals¿ [5] J. Herrero-Garcia, T. Schwetz and J. Zupan. Phys.Rev.Lett. 109 141301 Halo-independent methods for inelastic dark matter scattering [6] N. Bozorgnia, J. Herrero-Garcia, T. Schwetz and J. Zupan. JCAP 1307 (2013) 049 Neutrino masses, Grand Unification, and Baryon Number Violation [7] A. de Gouvea, J. Herrero-Garcia and A. Kobach. sent to PRD Y las contribuciones siguientes a proceedings: ¿Can New Generations Explain Neutrino Masses? [8] A. Aparici, J. Herrero-Garcia, N. Rius and A. Santamaria. http://arxiv.org/abs/arXiv:1106.0415 Implications of new generations on neutrino masses [9] A. Aparici, J. Herrero-Garcia, N. Rius and A. Santamaria. J.Phys.Conf.Ser. 408 012030 (2013), http://arxiv.org/abs/arXiv:1110.0663