Beyond Standard Neuthreenos. Fundamental physics in the neutrino sector from three perspectives: oscillations, astrophysics and cosmology

Abstract

[eng] If we look at the matter that forms the Universe with the highest level of detail we have reached, we find fundamental particles. The physical theory that collects these particles, like the “periodic table” did for the chemical elements, and that describes how they interact is the Standard Model (SM) of Particle Physics. Of all the fundamental particles of the SM, there are three of them that we cannot yet fully explain: neutrinos. According to the SM, neutrinos are massless particles. That is, none of the particles that we know is capable of providing mass to the neutrinos, as the Higgs field does with the rest of the particles of the SM. However, in recent decades we have dis- covered and experimentally tested –with a precision that leaves no room for doubt– that neutrinos do have mass. These experiments have measured the so-called neutrino oscillations. These are the first direct experimental proof that the SM, or fundamental particle physics as we know it, is incomplete. That is, new particles or forces are required to explain why neutrinos have mass. This, however, is not the only shortcoming of the SM. There are phenomena, such as Dark Matter (DM) and Dark Energy (DE), that the SM can hardly explain, and that generally require physics Beyond the Standard Model (BSM): new particles or new forces. While the scientific community has thought of many BSM extensions that could solve these shortcomings, as of today the search for them has not given positive results. Since neutrinos are the first particles that have experimentally warned us that the SM is in- complete, why not use them to find out exactly what is missing? This thesis is an effort in this direction. Specifically, it is a compilation of three ways –different and complementary– in which we can use neutrinos to discover what physics is beyond the SM. In the first part, we delve into neutrino oscillations and, specifically, in the search for sterile neutrinos in low-energy experiments. We review the wave packet description and demonstrate that –for our current experimental knowledge– the wave packet width could affect the results of the searches. In the second part, we move from low energies to the highest energies we know, those of cosmogenic neutrinos. These are neutrinos which are produced by the most energetic particles we know of, ultra-high- energy (UHE) Cosmic Rays. We reanalyze the anomalous detections of UHE neutrinos by the ANITA-IV antenna and analyze how future and present neutrino telescopes could restrict possible BSM extensions. Finally, in the third part, we look at how to use cosmology to calculate the mass of the relic neutrinos of the Universe, as well as the robustness of the method against BSM. Furthermore, we use Big Bang Nucleosynthesis to constrain interactions between neutrinos and ultralight DM. Thus, this thesis belongs to the phenomenology of particle physics and the search

Chapter 0 | CONTENTS

for BSM physics, specifically in the neutrino sector. Its approach is a bridge between theoretical and experimental physics: the analysis of theoretically motivated models based on their consequences in present and future experiments. Specifically, it aims to better understand the potential of these experiments and to rethink the hypotheses conventionally assumed behind their measurements.

[cat] Si mirem la matèria que ens forma i forma l'Univers amb el màxim nivell de detall a què hem arribat, hi trobem les partícules fonamentals. La teoria física que les recull com una ``taula periòdica'' i que descriu com aquestes interaccionen és el Model Estàndard. De totes les partícules fonamentals del Model Estàndard, n'hi ha tres que no som capaços d'explicar del tot: els neutrins. Segons el Model Estàndard de la física de partícules, els neutrins són partícules sense massa. És a dir, cap de les partícules que coneixem és capaç de proveir amb massa als neutrins, així com el Higgs ho fa amb la resta de partícules del Model Estàndard. Ara bé, en les darreres dècades hem descobert i comprovat experimental --amb una precisió que no deixa lloc al dubte-- que els neutrins sí que tenen massa. Aquests experiments han mesurat les anomenades oscil·lacions de neutrins, que representen la primera prova directa experimental que el Model Estàndard, la física fonamental de partícules que coneixem, és incomplet. És a dir, calen noves partícules o forces que expliquin per què els neutrins tenen massa. Aquesta, però, no és l'única manca del Model Estàndard. Alguns fenòmens, com la Matèria Fosca o l'Energia Fosca, no tenen explicació dins el Model Estàndard, i generalment requereixen física Més enllà del Model Estàndard: noves partícules, noves forces. Malgrat que la comunitat científica ha pensat moltes propostes que podrien resoldre aquests problemes, per ara la cerca no ha donat cap resultat positiu. Ja que els neutrins són les primeres partícules que ens han avisat experimentalment que el Model Estàndard està incomplet, per què no utilitzar-les per esbrinar què li falta exactament? Aquesta tesi és un esforç en aquesta direcció. En concret, és un recull de tres maneres --diferents i complementàries-- en què podem utilitzar els neutrins per a descobrir quina és la física Més enllà del Model Estàndard. En la primera part, ens endinsem en les oscil·lacions de neutrins i, en concret, en la cerca de neutrins estèrils en experiments a baixa energia. Revisitem la descripció de paquet d'ona d'aquestes oscil·lacions, i demostrem que --donat el coneixement experimental que tenim-- la mida del paquet d'ona podria afectar els resultats de les cerques. En la segona part, passem de la baixa energia fins a les energies més altes que coneixem, la dels neutrins cosmogènics. Aquests són neutrins que es generarien degut a les partícules més energètiques mai mesurades, els rajos còsmics ultraenergètics. Reanalitzem les deteccions anòmales de neutrins ultraenergètics de l'antena ANITA-IV i analitzem com podrien els telescopis de neutrins del futur i del present restringir possibles extensions del Model Estàndard. Finalment, en la tercera part, mirem com utilitzar la cosmologia per a calcular la massa dels neutrins relíquia de l'Univers, i la robustesa de la mesura davant de modificacions Més enllà de Model Estàndard. També, utilitzem la nucleosíntesi primordial per a entendre si els neutrins podrien interactuar amb Matèria Fosca molt lleugera. Així doncs, aquesta tesi s'emmarca en la fenomenologia de física de partícules i la cerca de física Més enllà del Model Estàndard, en concret en el sector dels neutrins. El seu enfocament és un pont entre la física teòrica i l'experimental: l'anàlisi de models motivats teòricament a partir de les seves conseqüències en experiments presents i futurs. En concret, pretén fer entendre millor el potencial d'aquests experiments i fer repensar les hipòtesis convencionalment assumides darrere les seves conclusions.