Phenomenology of Massive Neutrinosfrom Oscillations to new Physics

Resum

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.