[pt] O princípio da equivalência é um pressuposto fundamental da Teoria da Relatividade Geral, entretanto, nas tentativas de quantização da gravidade os cálculos estão levando, muitas vezes, a pequenas violações desse princípio (VEP). Por esse motivo, se mostra necessário testá-lo e obter limites estatísticos para essas violações, a fim de possivelmente descartar alguns cenários. Uma das frentes com grande possibilidade de limitar os valores dessa violação é analisando a oscilação de neutrinos atmosféricos de altas energias, gerados pelos raios cósmicos. A oscilação padrão de sabores dos neutrinos que atravessam a Terra se torna desprezível em altas energias, enquanto a oscilação induzida por VEP se torna cada vez mais proeminente nessa faixa da energia. Neste trabalho, usamos uma abordagem minimalista da VEP, em que ela aconteceria através de diferentes valores de constantes gravitacionais para cada autoestado de massa de neutrino, parametrizado como Gi ≡ γiG onde o G é contante gravitacional, e traçamos limites para os parâmetros \Phi \Delta\gamma_21 e \Phi \Delta\gamma_21 no plano (\Phi \Delta\gamma_21 , \Phi \Delta\gamma_31), onde o \Phi é o potencial gravitacional. Para isso, foram usados os dados de rastros de múons gerados da interação de neutrinos atmosféricos com a rocha ou gelo, coletados por um ano pelo IceCube na sua forma completa (IC-86). Os múons possuem energias entre 400 GeV e 20 TeV, e os dados coletados foram comparados com os valores esperados pelos melhores modelos de produção de neutrinos muônicos atmosféricos. / [en] The equivalence principle is a fundamental assumption of General Relativity. However, in several quantum gravity scenarios, small violations of thisprinciple (VEP) is expected. For this reason, it is important to test this principle and obtain statistical limits on its violation, in order to possibly discardsome scenarios. One way to constrain this violation is analyzing the flavor oscillation pattern of high-energy atmospheric neutrinos, generated by cosmicrays. The standard oscillation of neutrino s flavor crossing the Earth becomesnegligible at high energies, while the oscillation induced by VEP becomes increasingly prominent in this range of energy. In this work, we use a minimalisticapproach about the VEP, in which it would occur because of different valuesof gravitational constants for each neutrino mass eigenstate, parameterized asGi ≡ γiG where G is the gravitational constant, and we derive limits on theparameters Phi Deltagamma_21 and Phi Deltagamma_21 in the (Phi Deltagamma_21 , Phi Deltagamma_31) plane, where Phi is thegravitational potential. To this end, muon-tracks events generated from theinteraction of atmospheric neutrinos with the rock or ice, collected for oneyear by IceCube in its complete form (IC-86), were used. The detected muonshave energies between 400 GeV and 20 TeV, and the collected data has beencompared with the values expected by the best models of atmospheric muonneutrino production.

[pt] Nessa dissertação foi realizada uma revisão da teoria elementar das lentes gravitacionais, fazendo ênfase no estudo do efeito que tem a massa dos neutrinos no atraso gravitacional de sinais provenientes de fontes distantes e que são desviados quando passam perto de uma distribuição de massa localizada entre a fonte e o observador. Para isto, dentro dos limites de massa que fornecem os atuais experimentos de oscilação de neutrinos, decaimento beta e a cosmologia, se estudou a contribuição à densidade de energia não relativista que hoje têm os neutrinos de fundo cósmico. Em base a esses resultados, fizemos uma comparação porcentual entre a distância do diâmetro angular para um valor de massa do neutrino permitido e o valor da distância quando a massa é zero. Esta análise foi feita sob o arcabouço do modelo cosmológico padrão para dois casos possíveis da condição de normalização para os parâmetros de densidade de radiação e constante cosmológica são fixos e o segundo caso quando o parâmetro densidade de energia de matéria é fixo como também o parâmetro densidade de radiação e, portanto deixando variáveis os parâmetros densidade de neutrinos na medida do atraso das sinais é desprezível para o primeiro caso e tem uma contribuição de ordem de um por cento para o segundo caso. / [en] In the presente work I carried out an review of the elementar theory of gravitational lensing. It is mainly emphasizing to study the effect it would have neutrino mass in the time delay of signals from distant sources which are deflected due to the presence of a mass distribution that acts as a lens. To do this, for the mass values provided by neutrino oscillation, beta decay experiments and cosmology, we study the presente contribution of cosmic background neutrinos to energy density of universe. Based on these results, it was made a comparison between the angular diameter distance when the mass is zero. All this was done from the perspective of the standard cosmological model under two possible cases for the normalization condition of the energy density parameters presente in the universe: first, when the radiation and cosmological energy density parameters are fixed and second when the parameters for matter and radiation are fixed. It was found that the effect of the neutrino mass on time delay measurement is negligible for the first case and has a contribution of the order of one percent for the second case.

[pt] Os neutrinos são produzidos copiosamente no Universo primordial e são hoje as espécies mais abundantes de partículas após os fótons. Com a descoberta da oscilação de neutrinos sabe-se que eles possuem massa. Os efeitos de neutrinos na formação de estruturas têm sido muito estudados e a comparação com os dados observacionais estabelece limites sobre a soma de suas massas. Nesta monografia abordamos outro aspecto dos neutrinos em cosmologia que tem sido pouco estudado na literatura: a sua influência na expansão global e suas possíveis implicações observacionais. Um aspecto interessante dos neutrinos do fundo cósmico é que, dentro dos limites actuais em suas massas, ao menos uma espécie deve ter passado de um regime relativístico a não-relativístico desde o desacoplamento matéria-radiação até o presente. Essa mudança de regime poderia acarretar em efeitos observacionais característicos desse processo. Neste trabalho investigamos a equação de estado dos neutrinos em função de sua massa e sua temperatura. A partir desse resultado, obtemos a taxa de expansão e a distância de luminosidade em função do desvio para o vermelho para um Universo contendo neutrinos massivos, além de matéria escura, constante cosmológica e radiação. Embora espera-se que o impacto dos neutrinos nessas quantidades observáveis seja pequeno, o objetivo deste trabalho é verificar se ele pode ser mensurável no contexto da emergente cosmologia de presição. / [en] Neutrinos are produced copiously in the primordial Universe and today they are the most abundant specie of particles after the photons. With the discovery of neutrinos oscillation it is known that at least two of them have mass, although the absolute values are unknown. The effects of massive neutrinos in the large scale structure formation have been much studied and the comparison with observational data establishes limits over the neutrinos mass sum. In this dissertation we broach other aspect of neutrinos in cosmology which has been few studied in literature: its influence in the global expansion and the possible observational implications. An interesting aspect of cosmic neutrinos background is that inside the present masses limits at least one specie must have passed from a relativistic regime to a non-relativist one, since the matter-radiation decoupling until now. This change in regime could cause observational effects characteristics of this process. In this research we investigate the neutrinos state equation in function of their mass and temperature. From this result, we obtain the expansion rate and the luminosity distance in function of the Universe red-shift considering the presence of massive neutrinos, besides the dark matter, cosmological constant and radiation. Even through we expect that the neutrinos impact in these observable be small, the objective of this work is to verify if it can be measured in the context of the emergent precision cosmology.

[pt] Nesse trabalho realizamos, em princípio, um estudo fenomenológico de alguns experimentos prévios com neutrinos, que utilizaram reatores nucleares como fonte. Tais experimentos buscaram evidências de distorção espectral que corroborassem o mecanismo de conversão de sabor entre neutrinos. Nessa etapa reunimos suficiente informação sobre a metodologia empregada para a detecção e análise do espectro de neutrinos de reatores, bem como os limites impostos por esses experimentos sobre os parâmetros de oscilação. A partir desse estudo, investigamos a possibilidade de se explorar uma região do espaço de parâmetros, caracterizada por um pequeno ângulo de mistura e elevado autoestado de massa, ainda não excluída pelos resultados experimentais atuais. Como uma escala de massa tão elevada não pode estar associada a qualquer um dos três sabores ativos (eletrônico, muônico ou tauônico), em nossa análise, utilizamos uma extensão do modelo de três neutrinos ativos, incorporando um quarto autoestado estéril. Por fim, discutimos uma configuração experimental, baseada em um reator nuclear, que apresente a sensibilidade necessária para atingir esse conjunto de parâmetros. / [en] In this dissertation we have done, at first, a phenomenological study of some previous neutrino experiments, that had searched evidences of spectral distortion that corroborated the mechanism of flavor conversion, using nuclear reactors as source. We collected enough information about the methodology used for detection and analisys of neutrino spectrum of reactors, as well as the constraints on oscillation parameters provided by that experiments. Starting from this study, we investigated the possibility to explore a region of the space of parameters, characterized by a small mixing angle and high mass eigenstate, that not yet have been excluded by experimental results, but incompatible with the extracted current mass scale of the experiments with solar, atmospheric, accelerator (except for the LSND experiment) and reactor neutrinos. For this inquiry, we assume the simplest extension of the standart oscillation model, incorporating a new eigenstate responsible for the higher scale mass. Finally, we discuss a experimental configuration, based on nuclear reactor, which presents the sensitivity required to reach this set of parameters.

[pt] Conforme entramos na era de precisão da astronomia multimensageira, novas janelas se abrem para compreendermos melhor o Universo, desde a escala quântica até a escala cósmica. Em particular, o estudo de fenômenos astrofísicos de altas energias tem nos permitido acessar os ambientes mais extremos conhecidos pela humanidade, bem como obter avanços sem precedentes no domínio da física de partículas. Esta tese resume as descobertas importantes da astrofísica multi-mensageira ao longo dos anos, e, em seguida, foca a sua atenção em três tópicos relevantes que estão atualmente sendo investigados neste campo. Primeiramente, abordamos o problema da propagação de raios gama no espaço. Interações durante este processo levam à formação de cascatas eletromagnéticas que se desenvolvem ao longo de distâncias cosmológicas. Apresentaremos um código semi-analítico chamado “γ-Cascade”, que calcula os fluxos na Terra resultantes de tais cascatas. Também exploramos a possibilidade de se produzir neutrinos em cascatas ocorrendo a energias ultra-altas. Em segundo lugar, estabeleceremos uma relação multimensageira nova e original entre os fluxos medidos de neutrinos astrofísicos entre TeV–PeV e raios cósmicos ultra-energéticos. Para isso, utilizaremos nossas observações precisas de raios gama em energias abaixo de TeV, demonstrando o poder de uma análise multimensageira. Finalmente, estudaremos a evolução da composição de sabor de neutrinos produzidos em supernovas. Nosso novo método permite previsões genéricas sobre os possíveis sabores de neutrinos medidos na Terra. São levados em consideração os efeitos de matéria dentro dos ambientes densos de supernovas, enquanto permanecemos completamente agnósticos em relação ao resultado das conversões auto-induzidas de sabor em seus núcleos. / [en] As we enter the precision era of multi-messenger astronomy, new windows are opened for us to better understand the Universe, from quantum to cosmic scales. In particular, the study of high-energy astrophysical phenomena has allowed us to probe the most extreme environments known to mankind, as well as obtain unprecedented breakthroughs within the realm of particle physics. This thesis summarizes the important findings of multi-messenger astrophysics over the years, before focusing its attention to three relevant topics currently being investigated in the field. Firstly, we tackle the problem of γ-ray propagation in space. High center-of-momenta interactions during this process leads to the formation of electromagnetic cascades that develop over cosmological distances. We describe a semi-analytical code called “γ-Cascade, which calculates the fluxes at the Earth resulting from such cascades. We also explore the possibility of producing neutrinos in ultra-high-energy cascades. Secondly, we establish a new, original multi-messenger connection between the measured fluxes of TeV–PeV astrophysical neutrinos and ultra-high-energy cosmic rays. This is done by taking advantage of our precise γ-ray observations at sub-TeV energies, demonstrating the power of multi-messenger analyses. Finally, we study the evolution of the flavor composition of supernova neutrinos in a model-independent way. Our novel method allows for predictions of the neutrino flavor content measured at the Earth from supernovae, accounting for matter effects within its dense environment, while remaining completely agnostic about the outcome of self-induced flavor conversions in its core.

[pt] Em 2013, o IceCube Neutrino Observatory, localizado no Polo Sul, descobriu um fluxo de neutrinos astrofísicos com energias de PeV. Mais tarde, descobriu-se que este fluxo se estendia até pelo menos aproximadamente 10 TeV. Apesar de muitos esforços desde então, determinar as suas fontes permanece sendo um dos maiores desafios na comunidade de astrofísica. Nesta dissertação, investigamos possíveis fontes através de uma abordagem multimensageira bem motivada. Em qualquer mecanismo para a produção de neutrinos cósmicos, obrigatoriamente há produção simultânea de raios gama com energias comparáveis. Ao contrário de neutrinos, que atravessam o Universo ilesos, raios gama de altas energias sofrem interações com fótons de fundo em um processo de degradação de energia conhecido como cascata eletromagnética. Na Terra, eles contituem o fundo extragalático de raios gama difuso (EGB), medido com precisão pelo Fermi Gamma-ray Space Telescope entre GeV–TeV. Realizando uma análise conservativa, quantitativa e multimensageira, encontra-se uma tensão de maior ou aproximadamente 3delta (possivelmente chegando a aproximdamente 5 delta) entre os dados do IceCube e do EGB, apontando para a exitência de uma nova classe de aceleradores cósmicos de alta energia, como, por exemplo, fontes opacas para raios gama. / [en] In 2013, the IceCube Neutrino Observatory, located at the South Pole, discovered a flux of astrophysical neutrinos with PeV energies, later found to extend down to at least approximately 10 TeV. Despite many efforts since then, determining their sources remains one of the most daunting challenges in the astrophysics community. In this dissertation, we investigate possible sources via a well-motivated multimessenger approach. In any production mechanism of cosmic neutrinos, there must also be a simultaneous production of gamma-rays withcomparable energies. Unlike neutrinos, which travel unscathed throughout the Universe, high energy gamma-rays undergo interactions with background photons in an energy-degrading process known as electromagnetic cascade. At the Earth, they constitute the diffuse extragalactic gamma-ray background (EGB), precisely measured by the Fermi Gamma-ray Space Telescope in the GeV–TeV range. By performing a conservative, quantitative, multimessenger analysis, we find greater than a or approximately to 3 delta (possibly as large as approximately 5 delta) tension between IceCube and EGB data, pointing towards the existence of a new class of high energy cosmic accelerators, such as gamma-ray-opaque sources.

[pt] Atualmente podemos determinar com grande precisão os parâmetros das massas e misturas dos neutrinos. Porém, mesmo que no futuro as incertezas sobres as medidas destes parâmetros sejam reduzidas considerablemente, talvez algumas questões ainda continuem em aberto, como por exemplo, o valor absoluto da massa dos neutrinos, a hierarquia de massa e também determinar se os neutrinos são de Majorana ou Dirac, e se forem de Majorana, então quais seriam os valores das fases de CP? Nesta tese, nós abordamos parte destas questões estudando a detetabilidade da fase CP de Majorana através das medidas de massa dos neutrinos, que são extraídas de experimentos de decaimento beta, duplo decaimento beta sem neutrinos e observações cosmológicas. Para quantificar a sensibilidade dos experimentos à fase de Majorana, além de usar os gráficos convencionais das regiões permitidas, usamos a função de exclusão, definida como uma fração no espaço de parâmentros CP, que é excluída quando um conjunto de parâmetros de entrada é fornecido. A sensibilidade dos experimentos é considerada quando variamos as incertezas desde o valor mais pessimista até o valor mais optimista e também incluímos o erro experimental devido à matriz de elementos nucleares. Com esta análise, encontramos que a fase de Majorana, denotada como a21, pode ser restringida ao ser excluído o espaço de parâmentros entre um 10 por cento e até 50 por cento, com um nível de confiança de 3o, isto se consideramos que a massa do neutino mais leve é 0.1eV. Também são tratados aspectos característicos da sensibilidade à fase a21, como por exemplo, a dependência à outra fase de Majorana a31. Para finalizar, nós estudamos o caso de se na atualidade, a incerteza do elemento de matriz nuclear pode ser limitado usando as medidas dos mesmos experimentos. / [en] Nowdays we are in a precision epoch where is possible to get accurately the parameters that involve the neutrino physics, however, even that in the future the uncertainties on those parameters will decrease enormously, perhaps still will continue some open question, for instance, what is the absolute mass of neutrinos? What is the hierarchy of the masses? Are the neutrinos Majorana or Dirac? And if they were Majorana, what would be the value of the CP phases? In this work, we studying the detectability of the CP phase through experiments of neutrino beta decay, neutrinoless double beta decay and cosmology. In order to quantify the sensitivity to the Majorana phase we use the CP exlusion fraction, it is a fraction of region of the CP phase, that is excluded for a given set of assumed input parameters. The experiments sensitivity is account when it is varied since the pessimistic to optimistic one, assumptions of the experimental erros, the uncertainty of nuclear matrix elements and all the scenarios are considering with the Normal and Inverted hierarchies. We find that a Majorana phase, the called a21 can be constrained strongly by excluded 10 − 50 per cent of phase space at 3o CL for the lowest neutrino mass of 0.1 eV. The characteristic features of the sensitivity to a21, such as dependences on the other phase a31 are addressed. We also arise the question of whether the uncertainties of nuclear matrix elements could be constrined be consistancy of such measurements.