Topics in physics beyond the standard model

Laburpena

El Modelo Estándar (SM) de partículas es una teoría hermosa y extensamente contrastada. De hecho, sus éxitos son innumerables y algunas de sus predicciones, como el momento magnético anómalo de los electrones, se han confirmado con una precisión de una parte en 1010 (!). Sin embargo, y por suerte para mi doctorado, todavía hay preguntas abiertas que no se explican dentro del SM y requieren probablemente una dinámica subyacente o nueva física más allá del SM (BSM). Esta tesis explora, desde un punto de vista fenomenológico, algunas de las posibles extensiones del SM que permiten las preguntas abiertas en física fundamental: • El origen de las masas de los neutrinos • El origen de la asimetría entre materia y antimateria en el Universo • El origen de la materia oscura En este resumen, explicaremos brevemente estos tres problemas abiertos, así como las contribuciones originales planteadas en esta tesis para resolverlos, así como nuestras principales conclusiones. 1) Masas de los neutrinos: Uno de los resultados más importantes en tiempos recientes en física de partículas es el descubrimiento de las masas y mezclas de los neutrinos, tras varias décadas de experimentos con neutrinos cósmicos y haces producidos en aceleradores. Este descubrimiento ha dado lugar al premio Nobel en 2002 a los pioneros en la detección de neutrinos cósmicos (Prof. R.Davis and Prof. M. Koshiba), y en 2015 a los experimentos que obtuvieron los primeros resultados concluyentes, SuperKamiokande y SNO (Prof. Kajita and Prof. A. McDonald). Es fácil extender el SM para incorporar neutrinos masivos. Basta con hipotetizar la existencia de nuevos campos singletes, Ri, es decir sin carga electrodébil ni fuerte, de forma que un acoplamiento del tipo Yukawa entre los campos. En esta tesis estudiaremos extensiones del SM que permiten explicar estas masas tan pequeñas. 2) Dr.Jekyll y Mr.Hyde: aka asimetría materiaantimateria: El Universo que observamos está hecho esencialmente de materia. Los rayos cósmicos del Sol indican que está compuesto de materia. También el hecho de que Neil Armstrong sobreviviera a su paseo por la Luna implica que está hecha de materia. La supervivencia de los planetas en realidad demuestra que también el sistema solar está hecho esencialmente de materia. Los rayos cósmicos también proporcionan evidencia de la existencia de antimateria en la galaxia al nivel 10^-4 compatible con ser producida en objetos astrofísicos. En escalas más grandes, las evidencias son en realidad menos estrictas, aunque también a la escala de los cúmulos de galaxias hay evidencia de la ausencia de grandes cantidades de antimateria. En esta tesis hemos estudiado el mecanismo de Bariogénesis via leptogénesis, donde primero se genera una asimetría en un sector leptónico extendido, conectado posiblemente con las masas de los neutrinos, y es transferida a los bariones por los esfalerones a T >> 100GeV. 3) Materia Oscura: La materia oscura es mi rompecabezas favorito. De hecho, ahora es evidente que casi 25% del contenido del universo está hecho de materia que gravita pero no es bariónica. En realidad, no sabemos mucho de su naturaleza. Sabemos con certeza que no interactúa con la luz, es decir que no emite luz, ni la absorbe, y que además debe interactuar muy débilmente con el SM, porque de lo contrario la habríamos detectado. Por otra parte, la evidencia de sus interacciones gravitacionales es múltiple y proviene de una diversidad de fuentes, a diferentes escalas. En esta tesis he estudiado por una parte las distintas posibilidades de explicar la materia oscura en modelos de neutrinos masivos, que además predicen la asimetría bariónica. Además he hecho contribuciones novedosas a la posibilidad de detectar materia oscura en la forma de neutrinos masivos, mediante mapas de intensidad de rayos X, y la detección de la desintegración estimulada de axiones en radiofrecuencias.