Près d'un siècle après leur découverte, les rayons cosmiques sont encore sujets à de nombreuses interrogations. À ultra-haute énergie (UHE), leur nature, leur origine et leur mécanisme de production restent encore inconnus malgré les avancées expérimentales. L'observatoire Pierre Auger est actuellement l'expérience incontournable pour tenter de répondre à ces questions. Dans ce contexte, l'étude et la recherche de neutrinos à UHE sont susceptibles d'apporter des informations encore manquantes au puzzle des rayons cosmiques d'ultra-haute énergie, notamment quant à leur mécanisme de production ou leur origine. C'est dans ce cadre que s'inscrit cette thèse, centrée sur la recherche de neutrinos à UHE à l'observatoire Pierre Auger et plus particulièrement sur l'étude des neutrinos arrivant sous l'horizon (i.e. à incidence rasante) et interagissant dans la croûte terrestre. Dans une première partie, le contexte phénoménologique et expérimental dans lequel s'inscrit cette thèse est introduit. Dans une seconde partie, nous présenterons tout d'abord notre étude des incertitudes systématiques sur les modèles d'interactions à UHE des neutrinos et des leptons tau à travers une analyse revisitée des neutrinos tau à incidence rasante. Cette étude s'inscrit dans le cadre de la combinaison des résultats des différents canaux de détection de l'observatoire qui a permis de poser une limite compétitive sur les flux de neutrinos à UHE, au delà de la limite de Waxman et Bahcall. Nous présenterons ensuite notre travail effectué sur les neutrinos électroniques à incidence rasante. Ces derniers engendrent, en interagissant dans la croûte terrestre, des gerbes électromagnétiques souterraines soumises à l'effet LPM (Landau, Pomeranchuk et Migdal) qui entraîne un retard de leur développement et augmente leur probabilité de détection. Une chaîne complète de simulation de ce canal a été développée afin d'évaluer la sensibilité de l'observatoire à ces évènements. Enfin, dans le cadre de propositions d'améliorations de l'observatoire en vue d'accroître ses performances à partir de 2015, nous présentons l'étude que nous avons effectuée sur l'impact d'une nouvelle électronique d'acquisition et de nouveaux modes de déclenchements sur l'efficacité de détection des neutrinos à incidence rasante par les stations du réseau au sol. / Nearly one century after their discovery, cosmic rays are still subject to many questions. In particular at ultra-high energy (UHE) where their nature, origin and production mechanism are still unknown despite numerous experimental advances. The Pierre Auger observatory is currently the key experiment to try to answer these questions. In this context, the search for UHE neutrinos remains a major challenge for astroparticle physics. Their study is likely to bring informations that are still missing to the ultra-high energy cosmic ray puzzle regarding their origin and production mechanism. This thesis focuses on the search for UHE neutrinos at the Pierre Auger observatory and particularly on neutrinos arriving below the horizon (i.e. earth skimming) and interacting in the earth crust. In a first part, the phenomenological and experimental context is introduced. In a second part, we first present our study of systematic uncertainies on interactions models of UHE neutrinos and tau lepton through a revisited analysis of earth skimming tau neutrinos in the context of the combination of the results of the different observatory's detection channels. This combination allowed to put a competitive limit on the UHE neutrinos flux, beyond the Waxman and Bachal limit. We will then show our work on earth skimming electron neutrinos. They produce, by interacting in the earth crust, underground electromagnetic showers subject to the LPM (Landau, Pomeranchuk and Migdal) effet which causes a delay in their development and increaase their detection probability. A complete simulation chain of this channel was developed in order to estimate the sensitivity of the observatory to such events. Finally, in the context of proposals to upgrade the observatory in order to improve its performance beyond 2015, we present the study we have performed about the impact of a new acquisition electronic and new triggers on the earth skimming neutrinos detection efficiency by the stations of the ground array.

La physique des oscillations de neutrinos occupe une place majeure dans les études s’intéressant à cetteparticule. Le mécanisme des oscillations, basé sur un changement d’état de saveur d’un neutrino durant sapropagation, permet d’élucider les déficits observés de neutrinos solaires et atmosphériques et apporte des indicationsintéressantes de physique au delà du Modèle Standard par l'étude des angles de mélanges et du schéma de masse desneutrinos.OPERA est un détecteur hybride combinant à la fois latechnique d'une détection électronique en temps réel et la technique de la chambre à brouillard à émulsion ou ECC(EmulsionCloud Chamber). Le détecteur ECC est un détecteur massif (cible) composé de 150000 briques dontchacune est constituée de feuilles de plombs, utilisées comme cible, alternées avec des émulsions nucléaires dont laprécision de reconstruction des traces est de l'ordre du micron. Le détecteur comprend également deux spectromètresavec des plaques de fer magnétisé de 5 cm d'épaisseur alternées avec les détecteurs RPC (Resistive Plate Chamber)associés à six ensembles de drift tubes (PT) pour la mesure de la charge et de l'impulsion du muon, et un plan de vetoservant à la rejection des particules extérieures à la cible. / The physics of neutrino oscillations plays a major role in studies concerned with cetteparticule. The mechanism of oscillations, based on a change of state of a neutrino flavor during sapropagation, elucidates the deficits observed solar and atmospheric neutrinos and provides indicationsintéressantes of physics beyond the Standard Model by studying the angles mixtures and mass desneutrinos.OPERA scheme is a hybrid sensor combining both latechnique an electronic real-time detection technology and the cloud chamber emulsion or ECC (EmulsionCloud chamber). The ECC is a solid detector detector (target) consisting of bricks dontchacune 150000 consists of sheets of lead, used as a target, with alternate nuclear emulsion whose traces laprécision reconstruction is of the order of one micron. The detector also includes two spectromètresavec magnetized iron plates 5 cm alternating with RPC (Resistive Plate Chamber) detectors associated with six sets of drift tubes (PT) to measure the charge and momentum of the muon thickness and plan vetoservant the rejection of foreign particles to the target.

Un point crucial pour l'avenir de la Physique de Particules est représenté par la mesure de la masse et des paramètres qui gouvernent l'oscillation du neutrino, qui représentent la preuve de Physique au-delà du Model Standard. Depuis 2011, la valeur élevée de l'angle de mélange θ13 a ouvert la voie à l'étude sur la violation de symétrie CP dans le secteur de neutrinos. La nouvelle d'expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) a un potentiel sans précédent pour effectuer une mesure très précise des paramètres d'oscillation de neutrinos. Les grands détecteurs souterrains nécessaires pour ces mesures sont également un milieu idéal pour la recherche sur la désintégration du proton et sur la détection de neutrinos provenant des supernovæ.Les détecteurs utilisés pour ces expériences sont des Chambres à Projection Temporelle (TPC) dont la cible, très massive, est constituée d'Argon liquide. Ce type de détecteur fournit une très bonne résolution de l'image reconstruite, une excellente résolution en énergie et la possibilité d'identifier les particules. Les interactions de neutrino produisent des particules secondaires qui ionisent l'Argon liquide. Les électrons produits par ionisation dérivent sur de longues distances, sous l'effet d'un champ électrique uniforme, jusqu'à rejoindre l‘anode, équipé pour la détection de la charge. Un signal électrique est alors produit et est utilisé pour la reconstruction 3D de l'interaction primaire. La TPC en double phase liquide-gaz permet l'amplification du signal d'ionisation par des avalanches qui se produisent dans la phase gazeuse, au-dessus du niveau de l'Argon liquide. Cette technique améliore les performances de TPC en augmentant son rapport signal-bruit.Le sujet de cette thèse est la reconstruction et l'analyse de la charge de ionisation dans une TPC à Argon liquide : la mesure de la charge déposée par ionisation fournit des informations sur l'énergie cinétique des particules chargées secondaires produites lors de l'interaction de neutrino. De cette manière, il est possible de reconstruire l'énergie du neutrino entrant, de reconnaître et d'exclure les gerbes électromagnétiques produites par la désintégration du π0, puis d'effectuer l'indentification des particules à partir de la mesure des pertes d'énergie par ionisation.La mesure de l'ionisation implique une connaissance approfondie de la réponse du détecteur et de l'algorithme de reconstruction. Afin d'atteindre cette connaissance nous avons effectué une analyse détaillée des pertes d'énergie simulée en étudiant les divergences entre les connaissances théoriques et la simulation. Ensuite, la simulation de la réponse du détecteur a été étudiée, en examinant les effets qui se produisent au cours de la dérive des charges et les effets liés à la réponse de l'instrumentation électronique. Ces effets systématiques qui affectent l'exactitude de l'algorithme de reconstruction sont alors caractérisés par rapport à la génération de Monte-Carlo.Par la suite, nous montrons comment il est possible d'effectuer la rejection du π0 en étudiant les pertes d'énergie. En mesurant les pertes par ionisation au début d'une gerbe électromagnétique, il est possible de comprendre si elle a été produite par un électron ou par un photon. Cela permet d'exclure le bruit dans la détection des produits d'interaction du neutrino électronique fondamental pour la recherche de la violation de CP.Par l'échantillonnage de la trajectoire d'une particule chargée et en mesurant ses pertes d'énergie, il est possible d'identifier sa nature. Une TPC à Argon liquide est également un milieu idéal pour la recherche de la désintégration du proton, en particulier en regardant certaines chaînes de désintégration exclusives, comme p  K + ν. Dans cette thèse, nous montrons ainsi comment il est possible d'identifier des particules à partir de la mesure des pertes d'énergie, et plus abordons plus précisément l'identification des kaons chargés / This is an important period for High Energy Physics: many recent results, including the Higgs discovery and its characterization, confirm the Standard Model. A crucial point for the future of Particle Physics is the study of neutrino masses and mixing representing the first established evidence of physics beyond the SM. Since 2011, the large value of the ?13 mixing angle opened the way to the investigation of CP violation in the neutrino sector. A next generation long baseline neutrino experiment (DUNE) has unprecedented potential to precisely measure the neutrino oscillation parameters, determine the neutrino mass hierarchy and has a very good chance to discover evidence for CP violation in the leptonic sector. The large underground neutrino detectors needed for this task will also address the search for proton decay and the observation of supernovae neutrinos. Giant Liquid Argon Time Projection Chambers (LAr TPCs) will be employed as neutrino targets and detectors. They provide bubble-chamber quality imaging coupled to excellent energy resolution and particles identification capabilities. Neutrino interactions produce secondary particles, which ionize the liquid argon. The ionization electrons drift for long distances along a uniform electric field until they reach finely segmented and instrumented anodes, producing electrical signals that are used for 3D imaging and analysis of the primary interactions. The dual-phase readout technique foresees the amplification of the ionization signal in avalanches occurring in the gas phase above the liquid argon level. This technique further enhances the performance of the LAr TPC by increasing its signal to noise ratio. The subject of thesis is the ionization charge reconstruction and analysis in the dual-phase LAr TPC: the ionization charges measurement provides information about the kinetic energy of secondary charged particles produced in neutrino interactions. In this way, it is possible to reconstruct the incoming neutrino energy, identify and reject electromagnetic shower generated by photons from pi0 decay and perform particles identification from the measurement of the specific ionization losses.The measurement of the ionization implies a detailed knowledge of the detector response and of the reconstruction algorithm. In order to achieve this knowledge a detailed analysis of the simulated energy losses has been performed by studying the differences between the theoretical knowledge and the simulation

Orientador: Orlando Luis Goulart Peres / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-23T00:42:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pasquini_PedroSimoni_M.pdf: 4615786 bytes, checksum: d94409b2794db9d8be03e41a933166d1 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Apesar do grande sucesso alcançado pela teoria do modelo padrão baseada nas simetrias SU&subC;(3)? SU&subL;(2)? U(1), ainda existem alguns desafios a serem conquistados. Uma maneira direta de resolver os problemas é interpretar o modelo padrão (SM) como um modelo efetivo cuja validade chega até uma escala de energia E ¿ ?, na qual ele deixa de ser válido. Suspeita-se de que ? ~ TeV, e poderá ser observada nova física com as análises do Large Hadron Collider (LHC). No sentido de teoria efetiva do SM, é possível explicar a origem da oscilação de neutrinos [2] via mecanismo de Higgs, combinado com o modelo See-saw[1]. Esse mecanismo produz um operador 5-dimensional renormalizável que gera os ângulos de mistura dos neutrinos. Esse trabalho faz um estudo sobre a evolução dos ângulos de mistura dos neutrinos com a energia, via equações do grupo de renormalização. Comparando o modelo padrão com sua possível extensão, o modelo supersimétrico e modelos com uma dimensão espacial extra. A evolução dos ângulos de mistura é bem sutil mesmo para altas energias na ordem de 14TeV, ~ 2:5% para os modelos padrão e supersimétrico, com evolução com a escala na forma logarítmica e, um pouco mais acentuada, ~ 15% para o modelos com dimensões extras, cujo resultado esperado pela dependência quadrática na escala de energia problema. A análise foi feita para alguns valores nos raios das dimensões extras, e foi visto, como o esperado, que quanto menor o raio, menor é a mudança visível a baixas energias. Tais resultados podem ajudar na seleção de modelos, entretanto a variação no ângulo de mistura não é observável fora dos erros experimentais atuais- de medições já realizadas sobre oscilação de neutrinos. A variação entre os modelos é, portanto, leve, de forma que não é possível verifica-la com os dados atuais / Abstract: In spite of the great success reached by the Standard Model (SM) of particle physics, there are some puzzles that seems as a new physics at the ~ TeV scale, such as the origin of neutrino mass and neutrino oscillations. The framework for dealing with those effects are the interpretation of the SM as an effective theory valid at maximum energy E ¿ ?, where ? ~ TeV. In this work we study the evolution of neutrino masses and their mixing angles, which are supposed to be generated via the 5-dimensional Weinberg operator as a consequence of the see-saw mechanism. The studied models are: (1) A minimal extension of the standard model with three heavy steril neutrinos, (2) Minimal Supersymmetric Standar Model, (3) Minimal Unified Extra Dimensions in 5D. We show that the running of the mixing are very sutil in the _rst two models, less then 10% for ?12, and a bit bigger, of order of 10%, also ?12, in a power law growth with energy, as expected by the effectiviness nature of the model. The neutrino mass square diference tend to decrease, but not enough to reach a equality of masses in some energy scale near ~ TeV / Mestrado / Física / Mestre em Física

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse étudient la vitesse des neutrinos mesurée par l’expérience OPERA sur le faisceau CNGS au CERN. Divers modèles théoriques de gravité quantique et d’extra-dimensions prévoient des effets importants sur la violation de la conservation de Lorentz qui serait observable par la mesure de la vitesse des neutrinos. L’expérience MINOS a publié en 2007 une mesure de la vitesse des neutrinos muoniques sur une distance de 730 km avec un écart par rapport à celui de la lumière de 126 ns avec une erreur statistique de 32 ns et une erreur systématique de 64 ns. L’expérience OPERA détecte également des neutrinos muoniques ayant parcourut 730 km avec une sensibilité significativement meilleure que MINOS grâce à une statistique plus élevée due à l’énergie plus élevée du faisceau et à le système de synchronisation entre OPERA et le faisceau CNGS beaucoup plus sophistiquée et modifié dans le but de réduire l’erreur systématique. Ce système est composé par des horloges au césium et de récepteurs GPS spéciaux fonctionnant en common view mode. Le tout permet un time transfer entre les deux sites précis à l’ordre de 1 ns. Un système d’échantillonnage à 1 GHz (fast waveform digitizer) capable de reconstruire la distribution temporelle des protons envoyés sur la cible du CNGS a été intégré au système existant de mesure du faisceau CNGS. Le résultat consiste en la mesure de la vitesse des neutrinos produits artificiellement avec la précision la plus élevée jamais atteinte: le temps de vol des neutrinos a été déterminé avec une incertitude statistique d’environ 10 ns et une incertitude systématique plus petite de 20 ns. / The thesis concerns the measurement of the neutrino velocity with the OPERA experiment in the CNGS beam. There are different theoretical models that allow for Lorentz violating effects which can be investigated with measurements on terrestrial neutrino beams. The MINOS experiment published in 2007 a measure on the muon neutrinos over a distance of 730 km finding a deviation with respect to the expected time of flight of 126 ns with a statistical error of 32 ns and a systematic error of 64 ns. The OPERA experiment observes as well muon neutrinos 730 km away from the source, with a sensitivity significantly better than MINOS thanks to the higher number of interactions in the detector due to the higher energy beam and the much more sophisticated timing system explicitly upgraded in view of the neutrino velocity measurement. This system is composed by atomic cesium clocks and GPS receivers operating in “common view mode”. Thanks to this system a time-transfer between the two sites with a precision at the level of 1 ns is possible. Moreover, a Fast Waveform Digitizer was installed along the proton beam line at CERN in order to measure the internal time structure of the proton pulses that are sent to the CNGS target. The result on the neutrino velocity is the most precise measurement so far with terrestrial neutrino beams: the neutrino time of flight was determined with a statistical uncertainty of about 10 ns and a systematic uncertainty smaller than 20 ns.

La mesure récente de l'angle de mélange theta-13, à laquelle l'expérience Double Chooz contribue, a ouvert la voie aux futures expériences de la physique des neutrinos. Dans ce manuscrit, la caractérisation de certains bruits de l'expérience sont décrits. Les muons cosmiques qui s'arrêtent et se désintègrent dans le détecteur sont mal reconstruits, résultant en distorsion de la distribution temporelle des signaux laquelle peut être utilisée pour identifier ce type de fond. Les neutrons rapides créés par spallation par les muons cosmiques produisent de nombreux protons de recul qui peuvent entraîner un décalage dans la distribution temporelle des signaux et ainsi être identifiés. Ces distributions temporelles ont aussi été utilisées pour identifier la formation de l'état d'orthopositronium en observant et en mesurant un délai entre l'ionisation du positron et l'annihilation de celui-ci, pouvant permettre une séparation positron-électron. / The measurement of the theta-13 mixing angle, to which the Double Chooz experiment contributed, paves the way to future findings in neutrino physics. In this manuscript, we describe the characterization of some Double Chooz backgrounds. Cosmic muons that stop and decay in the detector are characterized by anisotropic emission of the scintillation light, causing the vertex to be poorly reconstructed. The resulting pulse shape distortion can be used to tag and remove such background. Fast spallation neutrons producing multiple recoil protons may produce a similar distortion in the pulse shape and can also be tagged. Pulse shapes are also used to identify the formation of ortho-positronium. The tagging of such electron-positron bound state is made possible by the induced distortion in the pulse shape due to the delay in the positron annihilation, and can be used for an electron-positron separation.

L’expérience SuperNEMO cherche à observer la double désintégration beta sans émission de neutrinos, uniquement possible si le neutrino est une particule de Majorana. Le premier module, aussi appelé démonstrateur, est en cours de construction au Laboratoire Souterrain de Modane. Sa capacité à détecter les particules individuelles en plus d’en mesurer l’énergie en fait un détecteur unique. Le démonstrateur peut contenir 7 kg de ⁸²Se sous forme de fines feuilles source. Ces feuilles source sont entourées par une chambre à fils, permettant ainsi la reconstruction en 3 dimensions des traces de particules chargées. Un calorimètre segmenté, composé de scintillateurs plastiques couplés à des photomultiplicateurs, assure quant à lui la mesure de l’énergie de chaque particule. De plus, la chambre à fils peut être soumise à un champ magnétique afin d’identifier la charge des particules. SuperNEMO est donc capable d’effectuer la reconstruction complète de la cinématique d’un événement ainsi que d’identifier la nature des particules impliquées dans ce dernier : électrons, positrons, particules α ou encore particules γ. En pratique, la reconstruction des particules repose sur divers algorithmes implémentés dans un logiciel de simulation et de reconstruction développé par et pour la collaboration SuperNEMO. La reconstruction des particules γ est particulièrement délicate puisque ces particules ne laissent pas de traces dans la chambre à fils et sont seulement détectées par le calorimètre, parfois même plusieurs fois. Différentes approches ont été explorées durant cette thèse. Ce travail a abouti à la création d’un nouvel algorithme permettant à la fois d’optimiser l’efficacité de reconstruction des particules γ mais aussi d’améliorer la reconstruction de leurs énergies. D'autres programmes assurant l’identification des particules et l’opération des mesures topologiques pertinentes à chaque événement ont aussi été développés. La valeur du champ magnétique a été optimisée pour la recherche de la désintégration 0νββ à l’aide de simulations Monte-Carlo. Les performances des blindages magnétiques ainsi que leur influence sur le champ magnétique ont été évaluées via des mesures effectuées grâce à des bobines magnétiques à échelle réduite. Le démonstrateur SuperNEMO est capable de mesurer ses propres contaminations en bruits de fond grâce à des canaux d’analyse dédiés. À l’issue d’une première prise de données de 2,5 ans, les activités visées pour les principaux bruits de fond devraient être connues précisément. En outre, la demi-vie du processus 2νββ pour le ⁸²Se devrait être mesurée avec une incertitude totale de 0,3 %.À la différence d’autres expériences double beta se basant uniquement sur la somme en énergie des deux électrons, SuperNEMO a accès à la totalité de la cinématique d’un événement et donc à de plus nombreuses informations topologiques. Une analyse multivariée reposant sur des arbres de décision boostés permet ainsi une amélioration d’au moins 10 % de la sensibilité pour la recherche de la désintégration 0νββ. Après 2,5 ans, et si aucun excès d'événements 0νββ n'est observé, le démonstrateur pourra établir une limite inférieure sur la demi-vie du processus 0νββ : T > 5.85 10²⁴ ans, équivalant à une limite supérieure sur la masse effective du neutrino mββ < 0.2 − 0.55 eV. En extrapolant ce résultat à une exposition de 500 kg.an, ces mêmes limites deviendraient T > 10²⁶ ans et mββ < 40 − 110 meV. / SuperNEMO is an experiment looking for the neutrinoless double beta decay in an effort to unveil the Majorana nature of the neutrino. The first module, called the demonstrator, is under construction and commissioning in the Laboratoire Souterrain de Modane. Its unique design combines tracking and calorimetry techniques. The demonstrator can study 7 kg of ⁸²Se, shaped in thin source foils. These source foils are surrounded by a wire chamber, thus allowing a 3-dimensional reconstruction of the charged particles tracks. The individual particles energies are then measured by a segmented calorimeter, composed of plastic scintillators coupled with photomultipliers. A magnetic field can be applied to the tracking volume in order to identify the charge of the particles. SuperNEMO is thus able to perform a full reconstruction of the events kinematics and to identify the nature of the particles involved: electrons, positrons, α particles or γ particles. In practice, the particle and event reconstruction relies on a variety of algorithms, implemented in the dedicated SuperNEMO simulation and reconstruction software. The γ reconstruction is particularly challenging since γ particles do not leave tracks in the wire chamber and are only detected by the calorimeter, sometimes multiple times. Several γ reconstruction approaches were explored during this thesis. This work lead to the creation of a new algorithm optimizing the γ reconstruction efficiency and improving the γ energy reconstruction. Other programs allowing the particle identification and performing the topological measurements relevant to an event were also developed. The value of the magnetic field was optimized for the 0νββ decay search, based on Monte-Carlo simulations. The magnetic shieldings performances and their impact on the shape of the magnetic field were estimated with measurements performed on small scale magnetic coils. The SuperNEMO demonstrator is able to measure its own background contamination thanks to dedicated analysis channels. At the end of the first 2.5 years data taking phase, the main backgrounds target activities should be measured accurately. The ⁸²Se 2νββ half-life should be known with a 0.3 % total uncertainty. Unlike other double beta decay experiments relying solely on the two electrons energy sum, SuperNEMO has access to the full events kinematics and thus to more topological information. A multivariate analysis based on Boosted Decision Trees was shown to guarantee at least a 10 % increase of the sensitivity of the 0νββ decay search. After 2.5 years, and if no excess of 0νββ events is observed, the SuperNEMO demonstrator should be able to set a limit on the 0νββ half-life of T > 5.85 10²⁴ y, translating into a limit on the effective Majorana neutrino mass mββ < 0.2 − 0.55 eV. Extrapolating this result to the full-scale SuperNEMO experiment, i.e. 500 kg.y, the sensitivity would be raised to T > 10²⁶ y or mββ < 40 − 110 meV.

This thesis is devoted to the study of neutrino physics in general and the study of neutrino mixing and oscillations in particular. In the standard model of particle physics, neutrinos are massless, and as a result, they do not mix or oscillate. However, many experimental results now seem to give evidence for neutrino oscillations, and thus, the standard model has to be extended in order to incorporate neutrino masses and mixing among different neutrino flavors. When neutrinos propagate through matter, the neutrino mixing, and thus, also the neutrino oscillations, may be significantly altered. While the matter effects may be easily studied in a framework with only two neutrino flavors and constant matter density, we know that there exists (at least) three neutrino flavors and that the matter density of the Universe is far from constant. This thesis includes studies of three-flavor effects and a solution to the two-flavor neutrino oscillation problem in matter with an arbitrary density profile. Furthermore, there have historically been attempts to describe the neutrino flavor transitions by other effects than neutrino oscillations. Even if these effects now seem to be disfavored as the leading mechanism, they may still give small corrections to the neutrino oscillation formulas. These effects may lead to erroneous determination of the fundamental neutrino oscillation parameters and are also studied in this thesis in form of damping factors. / QC 20101124

Blazars are a type of Active Galaxy that emit strong astrophysical jets. The association of a HE gamma-ray flare from the blazar TXS 0506+056 to the IceCube-170922A neutrino event in 2017, opened the possibility to a link between these two events. In this thesis, we will look at the HE gamma-ray behavior of TXS 0506+056 using data obtained from the Fermi-LAT by taking into account the other set of neutrino events associated with this source from 2014-2015. We will investigate whether both neutrino events present with comparable HE gamma-ray behavior by analyzing the lightcurves and the spectra for a quiet state, the 2014-2015 period, and the flare centered around the neutrino event from 2017. The results of the analysis performed in this thesis show no strong indication of a change in the gamma-ray behaviour in these potential neutrino detections.

We consider a simple model for invisible neutrino decay as a sub-leading effect in the standard three-flavor neutrino oscillation framework, and use the Cayley–Hamilton formalism to obtain a full set of neutrino oscillation probabilities in matter. These are given as analytical series expansions in the small parameters α ∼ O(λ^2) and s_13 ∼ O(λ), where λ ≡ 0.2 is a “book-keeping parameter” denoting the order of the expansion. We produce explicit formulas for P_eµ, P_eτ , P_µµ, P_µτ , and P_ττ to order O(λ^3), and for P_ee to order O(λ^2), all having first corrections of order O(λ^4). Moreover, we also present vacuum limits of our expressions, as well as discuss the effect of decay on unitarity. We show that all rows in the unitarity table have corrections of order O(λ^2), with the second and third rows having additional corrections of order O(1). In the limit of no decay, unitarity is restored, and we furthermore recover known results for all probabilities. / Vi betraktar en enkel modell för osynligt neutrinosönderfall som en icke-ledande effekt inom det vedertagna ramverket för oscillationer med tre neutrinosmaker och använder Cayley–Hamilton-formalismen för att erhålla en fullständig uppsättning av sannolikheter för neutrinooscillationer i materia. Dessa ges som analytiska serieutvecklingar i de små parametrarna α ∼ O(λ^2) och s_13 ∼ O(λ), där λ ≡ 0.2 är en gemensam “bokföringsparameter” som anger serieutvecklingens ordning. Vi tar fram explicita uttryck för P_eµ, P_eτ , P_µµ, P_µτ och P_ττ till ordning O(λ^3) och för P_ee till ordning O(λ^2), med första korrigeringar för alla sannolikheterna till ordning O(λ^4). Därutöver presenterar vi gränsvärden för våra uttryck i vakuum samt diskuterar sönderfallets inverkan på unitaritet. Vi finner att alla rader i unitaritetstabellen har korrigeringar till ordning O(λ^2) och därtill korrigeringar till ordning O(1) för den andra och tredje raden. I avsaknad av sönderfall återfås unitaritet och vi reproducerar dessutom kända resultatför alla sannolikheter.