[pt] Nesta dissertação, estudamos do ponto de vista fenomenológico, os efeitos de neutrinos estéreis para os observáveis de massas de neutrinos baseado nos dados do experimento LSND e nos resultados divulgados recentemente pela colaboração MiniBooNE. Consideramos observáveis de massa as seguintes quantidades: o parâmetro de massa cinemática cuja medida é realizada em experimentos com o decaimento beta do tritium tendo seu valor atual fornecido pelos experimentos Mainz e Troitsk; a massa efetiva de Majorana, que é uma quantidade que pode ser obtida em experimentos com o duplo decaimento beta sem neutrinos; finalmente, a soma de massas dos neutrinos, a qual é vinculada por dados cosmológicos. Nossa análise é realizada considerando os possíveis ordenamentos de massas para o caso em que temos dois neutrinos estéreis além dos três neutrinos ativos usuais, cuja adição é necessária para explicar os resultados de LSND e MiniBooNE ao mesmo tempo. Neste cenário, temos oito possíveis ordenamentos de massas, os quais dividimos em três grupos. No primeiro grupo, temos que os dois neutrinos estéreis são mais pesados que os três neutrinos ativos. No segundo grupo, os dois neutrinos estéreis são mais leves que os três neutrinos ativos. Cada um destes dois grupos tem possibilidades que dependem do ordenamento de massas dos neutrinos ativos que pode ser normal ou invertido. No terceiro e último grupo temos que um neutrino estéril é mais leve e o outro mais pesado que os três neutrinos ativos. Neste grupo, existem quatro possibilidades de ordenamento associada ao posicionamento dos neutrinos estéreis e ao ordenamento dos neutrinos do setor ativo. Investigamos os observáveis de massas em cada um destes cenários. / [en] In this dissertation we study, from the phenomenological point of view, the effects of sterile neutrinos for the observables related to neutrino masses based on the data of the LSND experiment and on the results releasedrecently by the MiniBooNE collaboration. We consider the following mass related obsevables: the kinematic mass parameter which is obtained in tritium beta decay experiments whose current value is provided by Mainzand Troitsk experiments; the Majorana effective mass, it is a quantity that can be obtained in neutrinoless double beta decay experiments. In additionto these quantities, we also consider the sum of neutrinos masses, which isconstrained by cosmological data. Our analysis is performed by considering the possible mass orderings for the cases where we have two sterile neutrinosbeyond the three standard active neutrinos, whose addition is necessary to explain the results of LSND andMiniBooNE simultaneously. In this scenariot here are eight possible mass orderings, which are divided into three groups.In the first group we have two sterile neutrinos which are heavier thanthe three active neutrinos. In the second group the two sterile neutrinosare lighter than the three active neutrinos. Each of these two groups canbe further divided into 2 subgroups depending on the mass ordering ofthe active neutrinos that can be normal or inverted. In the third and lastgroup we have one sterile neutrino lighter and the other heavier than thethree active neutrinos. In this group there are four possibilities of ordering depending on the positioning of the sterile neutrinos with respect to theactive ones and on the mass ordering of the active states. We investigate systematically the masses observable in each of these scenarios.

[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] Embora sua detecção seja difícil, neutrinos são considerados como boa ferramenta na astrofísica para obtermos informações das Supernovas, Explosão de Raios Gama e do interior de objetos celestes como o Sol e Núcleos Ativos de Galáxias, porque não é possível explorá-los por meios ópticos. Por interagir muito fracamente com a matéria usual, neutrinos são capazes de percorrer grandes distâncias e atravessar astros e galáxias sem perder energia e, ao serem detectados na Terra, eles trazem informações sobre a fonte emissora, mecanismos de produção destes neutrinos energéticos e, nos permitem estudar as propriedades ainda não completamente conhecidas dos neutrinos, como massas e ângulos de misturas. Um excelente exemplo é o telescópio de neutrinos IceCube que, recentemente, registrou eventos de neutrinos de altas energias, na faixa de TeV e PeV, cujas origens são extragalácticas. Tal pioneirismo abre uma nova janela para estudarmos o Universo. Nessa dissertação, através do fenômeno de oscilação de neutrinos, estudaremos como ocorre a mudança dos sabores leptônicos dos fluxos dos neutrinos de altas energias de origem extragaláctica ao longo de seu caminho, desde a sua criação até a Terra. Analisaremos também o comportamento da razão de sabor dos fluxos de neutrinos em função da fase de violação CP e do ângulo de mistura de sabor leptônico entre segunda e terceira gerações. / [en] Depite that it is difficult to detect neutrinos, they are an interesting tool in astrophysics to obtain information about astronomical objects and events such as the Sun, Supernovae, Active Galactic Nuclei and Gamma Ray Bursts because it is impossible to explore them by optic ways. Due to their very weak interaction with ordinary matter, neutrinos are able to propagate very large distances and pass through stars and galaxies with no energy loss. By detecting neutrinos at Earth, we can get information about neutrino sources as well as the production mechanism and we are also able to study neutrino properties which are not well understood yet, such as mass hierarchy and mixing angles. A great exemple is a neutrino telescope called IceCube which recently recorded, for the first time, high energy neutrino events in the range of TeV and PeV whose source is extragalactic. These events have opened a new window to study the universe. In this dissertation we use neutrino oscillation to study how is the change in the leptonic flavors of high energy neutrino fluxes from their extragalactic sources to the Earth. We also analyse the flavor ratio behavior of neutrino fluxes as a function of CP-violating phase and the mixing angle between second and third generation.

[pt] A oportunidade ímpar da construção do primeiro laboratório subterrâneo no Hemisfério Sul precisa ser alicerçada com importantes objetivos científicos, de maneira a competir com os demais laboratórios já existentes ao redor do planeta. Assim, no intuito de auxiliar na solidificação desta ideia, esta tese tem o propósito de verificar o potencial de um detector de neutrinos no futuro laboratório de ANDES para a observação de neutrinos vindos da próxima Supernova Galáctica. A observação de tais partículas é de fundamental importância para a compreensão do mecanismo de explosão de estrelas e para inferir ou desvendar propriedades dos neutrinos. Para tal, simulamos o número de eventos para o decaimento Beta inverso e para o espalhamento elástico v - p que seriam obtidos com a próxima supernova com o detector de ANDES considerando diferentes tipos de cintiladores líquidos, levando em conta o efeito MSW. Mostramos que através do espalhamento elástico v - p é possível reconstruir o fluxo total de todos os sabores de neutrinos, energia média e total liberados por neutrinos não-eletrônicos. Além disso, a comparação da razão dos números de eventos que vem de corrente carregada (depende da oscilação) e de corrente neutra (independente de oscilação), nos permite inferir a hierarquia de massa para alguns casos. Adicionalmente, estudamos a contribuição do laboratório de ANDES para a observação do efeito de matéria da Terra ao compararmos dados com outros detectores do Hemisfério Norte. Finalmente, investigamos a precisão angular para determinar a direção de uma supernova apenas usando o registro de neutrinos, que pode ser o caso de Supernovas que formam buracos negros ou sofram efeito de obscurecimento devido a poeira interestelar. / [en] The unique opportunity of construction of the first underground laboratory in the Southern Hemisphere must be grounded with important scientific goals in order to compete with others already existing laboratories around the word. In order to compete with idea as much as possible, this PhD Thesis aims to investigate the potential of a future neutrino detector at the ANDES laboratory to the observation of such particles is of fundamental importance to understanding the mechanism and starbust inferred or unravel properties of neutrinos as mass hierarchy, for example. To this end, we simulate the number of events for inverse beta decay and the elastic scattering of v - p that would be obtained with nearby supernova at the ANDES detector taking into account different types of liquid scintillator ande the phenomenon of MSW effect. We show that through the v - p elastic scattering is possible to reconstruct the total flux of all flavors of neutrinos, total and average energy released by non-electron neutrinos. furthermore, comparison of the ratio of observed and theoretical prediction, the number of the ANDES laboratory to the Northern Hemisphere. Finally, we investigate the angular precision for determining the direction of the supernova only using its neutrinos, which can be the situation when either supernovae collapses forming black holes or obscuration due to interstellar dust.

[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] Neste trabalho de tese investigaremos um novo método para medir a fase leptóonica de violação CP, CP , com um set up experimental chamado LiquidO e, estudaremos a possibilidade do futuro experimento Hyper-Kamiokande de pôr um limite sobre o tempo de vida do neutrino. Ambos são experimentos que detectam neutrinos de acelerador que performarão as próprias medições através do estudo do bem conhecido fenómeno da oscilação de sabor de neutrinos. O primeiro experimento considerado possui duas novas características: primeiramente utiliza como fonte de neutrino um fluxo de Vμ e Vμ produzidos por pions (pi+) em repouso a uma distância de 16 km e secondariamente vai usar uma nova forma de detecção. Essa detecção é feita utilizando cintilador liquido opaco com fibras ópticas que permitem distinguir entre e+ e e-. Nós explicaremos as principais propriedades fenomenológicas desta configuração e calcularemos a significância estatística de exclusão da hipótese CP = (0, pi), a precisão de medição de CP com 1δ de confiança estatística e também as regões permitidas no espaço dos parámetros sin2 023 - δ CP . Na segunda parte do nosso trabalho, nos concentraremos no experimento Hyper-Kamiokande, versão melhorada do experimento Super-Kamiokande que se adjudicou o prémio Nobel em 2015. Este é um detector de luz Cherenkov que utiliza um fluxo de Vμ (Vμ) com energias < 10GeV produzido no acelerador JPARC e colocado a uma distância de 295 km. Neste trabalho identificaremos este experimento como T2HK enquanto para a sua estensão na Korea, que utilizará a mesma fonte mas será colocada a 1100 km de distância, utilizaremos a sigla T2HKK. Nós introduziremos brevemente as modalidades de decaimento do neutrino que podem ser classificadas em dois tipos: um é chamado decaimento invisível, ou seja, quando o neutrino de origem decai em um estado estéril mais uma partícula escalar, e o outro e chamdo de decaimento visível, ou seja, quando o neutrino de origem decai em um autoestado de massa ativo mais uma partícula escalar. Em fim calcularemos as sensitividades no limite da vida média do autoestado V3 para os casos de decaimento visível e invisível para as configurações de T2HK e T2HKK. / [en] In this thesis we will study a novel method to measure the leptonic CP violation phase, CP , in an experimental set up called LiquidO, and the possibility by the future experiment Hyper-Kamiokande to put a limit on the neutrino lifetime. Both experiment are accelerator based ones that will use the well established neutrino flavour oscillation phenomenon to perform their measurement. The first experimental set up uses two new features: firstly it uses as a source a flux of Vμ and Vμ coming from pions (pi+) decay at rest with a baseline of 16 km and secondly it uses a new detection method. This new detection is performed using opaque Liquid Scintillator (LS) with optical fibers that allows e+ e- identification. We will discuss the phenomenological main characteristics of this set up and we will calculate the expected significance to exclude the δ CP = (0, pi) hypothesis, the 1δ precision of the CP measurement and also the expected allowed regions in the sin2 023 - δ CP plane. For what it concerns the second part of our work, we will focus on the Hyper-Kamiokande experiment, upgrade of the 2015 Nobel prize awarded Super-Kamiokande. This is a water Cherenkov detector that will use a Vμ (Vμ) flux with a typical neutrino energy < 10 GeV coming from the JPARC facility with a baseline of 295 km. We will call this source-detector configuration T2HK to distinguish T2HKK, the possible extension of this experiment in Korea that will use the same beam but it will be located at 1100 km from the source. We will briefly introduce the neutrino decay mode that can be classified in two types: one is what is called invisible decay , i.e. when neutrino decays into a sterile neutrino state plus a scalar particle, and the other is called visible decay, i.e. when neutrino decays into an active mass eigenstate plus a scalar particle. We will calculate the limit on the V3 lifetime for the invisible and the visible case for both configurations T2HK and T2HKK.

[pt] Nesta tese estudamos o potencial que terão a próxima geração de detectores de neutrinos (JUNO, Hyper-Kamiokande e DUNE) para a detecção dos efeitos da matéria da Terra através da identificação das modulações no espectro de energia dos neutrinos de supernovas de colapso de núcleo em nossa galáxia, assumindo a possibilidade do decaimiento invisível de v2 após os neutrinos terem deixado a estrela, caminho da Terra. Simulações recentes do colapso gravitacional (e subsequente explosão) de estrelas com massa maior do que ~ 8Mo mostram que durante a fase de esfriamento as energias médias (Eve) e (Evx) tornam-se muito semelhantes e os fluxos tendem a se igualar, tornando difícil observar os efeitos da matéria da Terra usando um único detector. Neste trabalho mostramos que a inclusão do decaimiento dos neutrinos também cria a possibilidade de observar os efeitos em consideração no canal de detecção de neutrinos se o ordenamento de massa for normal e no canal anti-neutrino se o ordenamento for invertido, o que não é esperado na ausência de decaimento. Em particular, se a taxa de decaimento for maior do que ~ 70%, descobrimos que o decaimento invisível de v2 pode aumentar as possibilidades de observação dos efeitos da matéria da Terra, mesmo para supernovas a uma distância de 10 kpc de nós. / [en] In this thesis we studied the potential that the next-generation neutrino detectors (JUNO, Hyper-Kamiokande and DUNE) will have to the detection of the Earth matter effects through the identification of the modulations in the energy spectrum of neutrinos from core-collapse supernovae in our galaxy, assuming the possibility of the invisible decay of v2 after the neutrinos have left the star, on their way to Earth. Recent simulations of gravitational collapse (and subsequent explosion) of stars more massive than ~ 8Mo show that during the cooling phase the average energies (EVe) and (Evx) become very similar and the fluxes tend to equalize, making it difficult to observe the Earth matter effects using a single detector. In this work we show that the inclusion of neutrino decay creates also the possibility of observing the effects under consideration in the neutrino detection channel if the mass ordering is normal and in the anti-neutrino channel if the ordering is inverted, which is not expected in the absence of neutrino decay. In particular, if the decay rate is more than ~ 70%, we find that the invisible neutrino decay of v2 can enhance the observation possibilities of Earth matter effects even for supernovae at a distance of 10 kpc from us.