Modelos Seesaw de masas de neutrinos a baja escala con una simetría aproximada de número leptónico pueden ser probados en colisionadores. En el modelo mínimo Seesaw Tipo I, implica la existencia de dos fermiones de Majorana pesados altamente degenerados que forman un par Pseudo-Dirac. Una pregunta muy importante es, en qué medida los futuros colisionadores tendrán sensibilidad al splitting entre los componentes de Majorana de este lepton pesado neutro, que señala la ruptura de número leptónico. Consideramos la producción de estos leptones pesados en la ILC, donde sus displaced decays proporcionan una señal de oro: una asimetría forward-backward, que depende crucialmente del splitting de la masa entre los dos componentes de Majorana. Mostramos que este observable puede limitar el splitting de la masa a valores mucho m´as bajos que los límites actuales, que provienen del neutrinoless double beta decay y las loop corrections. / Low-scale seesaw models of neutrino masses with an approximate lepton number symmetry can be tested at colliders. In the minimal Type I Seesaw model, this implies the existence of two highly degenerate heavy Majorana fermions forming a pseudo-Dirac pair. A very important question is to what extent future colliders will have sensitivity to the splitting between the Majorana components of this neutral heavy lepton, which signals the breaking of lepton number. We consider the production of these heavy leptons at the ILC, where their displaced decays provide a golden signal: a forward-backward asymmetry, which depends crucially on the mass splitting between the two Majorana components. We show that this observable can constrain the mass splitting to values much lower than current bounds, which come from neutrinoless double beta decay and loop corrections. / Tesis

Reevaluamos el decaimiento visible de neutrinos en presencia de materia. Estudiamos estos efectos en dos futuros experimentos de long-baseline donde los efectos de materia son relevantes: DUNE (1300 km) y un hipotético haz dirigido hacia ANDES (7650 km). Encontramos que los efectos de materia del componente visible del decaimiento de neutrinos son insignificantes en DUNE, siendo mucho más relevante en ANDES. Realizamos una simulación detallada de DUNE, considerando los canales Vu disappearance y Ve appearance, para ambos modos FHC y RHC. La sensitividad de la constante de decaimiento alpha 3 puede ser tan baja como 2 x 10-6 eV2 a 90% C.L., dependiendo de la masa de los neutrinos y el tipo de acoplamiento. También mostramos el impacto del decaimiento de neutrinos en la determinación de theta23 y deltaCP, y encontrar que el mejor valor de ajuste de theta23 puede moverse desde un valor real en un octante inferior hacia un octante superior. / Neutrino visible decay in the presence of matter is re-evaluated. We study these effects in two future long-baseline experiments where matter effects are relevant: DUNE (1300 km) and a hypothetical beam aimed towards ANDES (7650 km). We find that matter effects are negligible for the visible component of neutrino decay at DUNE, being much more relevant at ANDES. We perform a detailed simulation of DUNE, considering Vu disappearance and Ve appearance channels, for both FHC and RHC modes. The sensitivity to the decay constant alpha 3 can be as low as 2 x 10-6 eV2 a 90% C.L., depending on the neutrino masses and type of coupling. We also show the impact of neutrino decay in the determination of theta23 and deltaCP, and find that the bestfit value of theta 23 can move from a true value at the lower octant towards the higher constant / Tesis

El presente es el resultado de las investigaciones realizadas durante la maestría en física bajo la supervisión de Alberto Gago. Se discutirán brevemente tres trabajos realizados en este periodo con el fin de obtener el grado de Magíster en Física. Durante la última década y media numerosos experimentos han demostrado que los neutrinos se transforman entre sus diferentes sabores al propagarse. Las evidencias de este fenómeno, denominado oscilaciones de neutrinos por su carácter periódico, favorecen la hipótesis de que los neutrinos tienen masa y que los estados de masa y de sabor están relacionados por una matriz no diagonal. Las oscilaciones de neutrinos están caracterizadas por dicha matriz de mezcla y por las diferencias de masas cuadradas entre los diferentes estados de masa. Las entradas de dicha matriz de mezcla, llamada matriz Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS), han sido medidas con creciente precisión por los experimentos de oscilación de neutrinos solares, atmosféricos, de reactores y de aceleradores. Recientemente se ha logrado medir todos los ángulos de mezcla involucrados en la rotación de los estados de masa, abriendo la posibilidad de observar una fase de violación de CP diferente de cero. Además, se ha establecido que hay, al menos, dos diferencias de masa cuadradas una correspondiente a la escala de oscilación solar y la otra a la atmosférica. Se sabe el orden entre los estados de masas que participan en la oscilación solar, pero no en el caso de la atmosférica. Futuros experimentos pretenden medir con mayor precisión la matriz de mezcla, determinar la jerarquía entre los estados de masa de neutrinos, la existencia de una fase CP y probar o negar la existencia de más estados de masa. La reciente construcción del telescopio de neutrinos IceCube en el polo sur ha impulsado la búsqueda de física nueva en las fuentes astrofísicas vía el flujo de neutrinos de ultra alta energía. Para ello es importante tener un buen conocimiento del flujo esperado, sobretodo, a altas energías, donde existen menos datos. Entre las fuentes de neutrinos de ultra alta energía más importantes se encuentran los núcleos activos de galaxias (NAG). En este contexto, estudiamos el flujo difuso de neutrinos predicho por dos modelos de producción de neutrinos en NAG. Estos modelos asumen como válida la correlación entre las NAG y la dirección de los rayos cósmicos de ultra alta energía hallada por el observatorio Pierre Auger (OPA) en Argentina. Tal que los datos obtenidos sobre los flujos de rayos cósmicos de alta energía en OPA pueden ser usados para estimar los flujos de neutrinos medidos acá en la tierra. No obstante, la relación entre estos dos flujos no es directa sino que en ella intervienen parámetros que dependen del modelo. En este estudio variamos los parámetros de los modelos y comparamos el número de eventos con los límites recientemente impuestos por IceCube. Encontramos que ambos modelos se encuentras desfavorecidos, por los límites actuales, y que en, caso de ser vistos, ellos podrían ser distinguidos con alta significancia. Otra de las búsquedas realizadas por IceCube, en el régimen de los neutrinos de alta energía, son las señales de aniquilación de materia oscura provenientes del Sol. Una propuesta popular es considerar que la materia oscura es un WIMP (Weakly Interacting Massive Particle : Partículas Masivas de Interacción Débil). En este contexto la materia oscura puede ser caracterizada, en primera instancia, por su sección de choque y su masa. En los modelos donde el WIMP posee una sección de choque dependiente del spín (SD) la interacción de la materia oscura local con el Sol puede ser intensa. Esta interacción causaría una acumulación de materia oscura en el centro del Sol. La cual podría aniquilarse en partículas del modelo estándar las cuales, al decaer o interactuar con la materia solar, darían lugar a un flujo de neutrinos activos. Es la esperanza de experimentos como IceCube que dicho flujo de neutrinos sea observable. Hasta el momento no se ha observado dicho flujo, por lo que IceCube ha puesto limites en la sección de choque de la materia oscura. En este trabajo hacemos notar que dichos limites dependen de la forma de oscilación de los neutrinos; la cual conecta el flujo de neutrinos al salir del Sol con el detectado en la Tierra. En este trabajo consideramos modelos de neutrinos estériles. Estos suponen la existencia de sabores adicionales de neutrinos que no interactúan vía el boson Z, pero si se mezclan con los sabores activos afectando la probabilidad de oscilación. Encontramos que las modificaciones de los límites de materia oscura, en varios de estos modelos, son considerables debido a que aparecen nuevas resonancias, inducidas por la materia solar, que magnifican la transición entre neutrinos activos y estériles. Como se ha hecho notar antes, la presencia de materia puede modificar sustancialmente la probabilidad de oscilación de los neutrinos. Usando esta propiedad planteamos un método para detectar regiones de densidad anómala en la corteza de la Tierra. Consideramos el caso en que los neutrinos provienen de un rayo-beta de alta intensidad y un detector de carbono. Estudiamos la capacidad de esta configuración de descubrir cavidades con alto nivel de confianza. Además, en el caso de poder descubrirlas, estudiamos la capacidad que se tiene para medir sus parámetros, i.e. densidad, tamaño y posición. Para ello estudiamos numéricamente cuatro cavidades inspiradas en casos reales : una con una densidad similar al agua, otra de hierro, otra de metales pesados y otra con una densidad de electrones similar a la que, supuestamente, aparece antes de un sismo. Reconstruimos la cavidad en cada uno de los casos mencionados y analizamos la sensibilidad del método a la variación de los parámetros. Adicionalmente, explicamos el comportamiento de nuestros resultados teóricos con un modelo aproximado, llamado "slabs", en el que consideramos que la densidad es constante por tramos en vez de depender continuamente del radio de la Tierra. Finalmente dotamos de movilidad a nuestro detector y hacemos que nuestra fuente de neutrinos sea un haz orientable con el fin de mover el haz para hacer un barrido de toda la corteza terrestre. En este contexto definimos un parámetro que nos permitiría evaluar fácilmente y con alta confianza la presencia de la cavidad. / Tesis

This thesis covers the study of one-loop quantum corrections to the light neutrino masses. In the first part, we examine the extension of the standard model with right-handed neutrinos, where the Seesaw type I is present, allowing accessible masses for experimental searches. However, considering the corrections to the light neutrinos masses requires the pairs of heavy neutrinos to appear as pseudo Dirac particles, implying a suppression of the LNV parameters. In the second part, the supersymmetric contributions are analyzed in order to relax the lepton number violation (LNV) restrictions and achieve a greater difference between the heavy neutrino masses, as well as large mixings. When analyzing the destructive interference between the supersymmetric (which we describe as reducible and irreducible) and non-supersymmetric contributions, we found parameter regions where cancellations occur, however they are very small. So, the addition of SUSY does not guarantee the effect called screening, and the cases that are favorable need some degree of fine-tuning. In all cases, the numerical results of the analytical one-loop expressions calculated in the νRSM and νRMSSM models are checked with SPheno. / Esta tesis cubre el estudio de las correcciones cuánticas a un loop a las masas de neutrinos ligeros. En la primera parte, examinamos la extensión del modelo estándar con neutrinos de mano derecha, donde está presente el Seesaw tipo I, que permite masas accesibles para su búsqueda experimental. Sin embargo, el considerar correcciones a las masas de los neutrinos ligeros requiere que los pares de neutrinos pesados sean considerados como pseudo-Dirac, implicando una supresión de los parámetros LNV. En la segunda parte, se analizan las contribuciones supersimétricas para relajar las restricciones sobre los parámetros de violación de número leptónico (LNV) y lograr una mayor diferencia entre las masas de neutrinos pesados, así como mezclas grandes. Al analizar la interferencia destructiva entre las contribuciones supersimétricas (que describimos como reducibles e irreducibles) y no supersimétricas, encontramos regiones de parametros donde ocurren cancelaciones, pero que son muy pequeñas. Por lo tanto, agregar solo SUSY no garantiza el efecto llamado screening, y los casos que son favorables necesitan cierto grado de ajuste. En todos los casos, los resultados numéricos de las expresiones analíticas a un loop calculadas en los modelos νRSM y νRMSSM se verifican con SPheno.

O objetivo desta dissertação foi estudar os sinais que neutrinos provenientes de supernovas galáticas poderão produzir em detectores futuros, através de simulações de eventos observados na Terra por um detector Cherenkov pela reação de decaimento beta inverso. Por ser um local único em que neutrinos se encontram em condições de equilíbrio térmico, a física de neutrinos de supernova pode ser fonte de novo conhecimento na física de partículas elementares. Iniciamos o trabalho apresentando os aspectos mais importantes da física de neutrinos tal como é conhecida hoje, seguido de um estudo do papel do neutrino na explosão de uma supernova do tipo II e a influência das oscilações em futuras observações. As simulações foram feitas primeiramente considerando uma supernova de potencial estático, com a determinação de limites nos principais parâmetros que descrevem sua dinâmica. Utilizamos os casos de hierarquia normal e inversa e ângulos de mistura nos limites totalmente adiabático e não-adiabático. Posteriormente consideramos uma supernova de potencial dinâmico, a partir da qual estudamos o comportamento das probabilidades de transição e o perfil do espectro detectado nos mesmos casos anteriores. Com este potencial também foi possível observar o comportamento temporal do espectro e como este pode ser modificado com a hierarquia e ângulo de mistura. Mostramos que em uma futura detecção, o número de eventos e conseqüentemente sua variação com parâmetros de supernova não terão interferência considerável do efeito de onda de choque. Contudo, este pode causar distorções no espectro energético e temporal que poderão ter papel importante na determinação da hierarquia de massa e maior delimitação do ângulo de mistura. / The goal of this dissertation is to study the signals that supernova neutrinos could produce in future detectors, through simulations of events observed on Earth by a Cherenkov detector and inverse beta decay reaction. Since a supernova has been the only situation in which neutrinos are able to reach thermal equilibrium, the physics of supernova neutrinos can be source of a new knowledge in physics of elementary particles. We begin this work presenting the most important aspects of neutrino physics as known today, and then studying the role of neutrino in a type II supernova explosion and the oscillation influence in future observations. The simulations were initially performed considering a static potential, defining limits for the main parameters that describe its dynamics. We considered the cases of normal and inverse mass hierarchy and mixing angles within fully adiabatic and non-adiabatic limits. Later we used a supernova dynamic potential to study behavior of transitions probabilities and the profile of the spectrum detected in these previous cases. From this potential we also observed the temporal behavior of the spectrum and how it can be modified with the hierarchy and the mixing angle. We show that, in a future detection, the number of events and hence their variations with supernova parameters, will not suffer interference of the shock wave effect. However, this effect can cause distortions in the energy and time spectrum that could have an important role in determining the mass hierarchy and better constraints for the mixing angle.

O objetivo desta dissertação foi estudar os sinais que neutrinos provenientes de supernovas galáticas poderão produzir em detectores futuros, através de simulações de eventos observados na Terra por um detector Cherenkov pela reação de decaimento beta inverso. Por ser um local único em que neutrinos se encontram em condições de equilíbrio térmico, a física de neutrinos de supernova pode ser fonte de novo conhecimento na física de partículas elementares. Iniciamos o trabalho apresentando os aspectos mais importantes da física de neutrinos tal como é conhecida hoje, seguido de um estudo do papel do neutrino na explosão de uma supernova do tipo II e a influência das oscilações em futuras observações. As simulações foram feitas primeiramente considerando uma supernova de potencial estático, com a determinação de limites nos principais parâmetros que descrevem sua dinâmica. Utilizamos os casos de hierarquia normal e inversa e ângulos de mistura nos limites totalmente adiabático e não-adiabático. Posteriormente consideramos uma supernova de potencial dinâmico, a partir da qual estudamos o comportamento das probabilidades de transição e o perfil do espectro detectado nos mesmos casos anteriores. Com este potencial também foi possível observar o comportamento temporal do espectro e como este pode ser modificado com a hierarquia e ângulo de mistura. Mostramos que em uma futura detecção, o número de eventos e conseqüentemente sua variação com parâmetros de supernova não terão interferência considerável do efeito de onda de choque. Contudo, este pode causar distorções no espectro energético e temporal que poderão ter papel importante na determinação da hierarquia de massa e maior delimitação do ângulo de mistura. / The goal of this dissertation is to study the signals that supernova neutrinos could produce in future detectors, through simulations of events observed on Earth by a Cherenkov detector and inverse beta decay reaction. Since a supernova has been the only situation in which neutrinos are able to reach thermal equilibrium, the physics of supernova neutrinos can be source of a new knowledge in physics of elementary particles. We begin this work presenting the most important aspects of neutrino physics as known today, and then studying the role of neutrino in a type II supernova explosion and the oscillation influence in future observations. The simulations were initially performed considering a static potential, defining limits for the main parameters that describe its dynamics. We considered the cases of normal and inverse mass hierarchy and mixing angles within fully adiabatic and non-adiabatic limits. Later we used a supernova dynamic potential to study behavior of transitions probabilities and the profile of the spectrum detected in these previous cases. From this potential we also observed the temporal behavior of the spectrum and how it can be modified with the hierarchy and the mixing angle. We show that, in a future detection, the number of events and hence their variations with supernova parameters, will not suffer interference of the shock wave effect. However, this effect can cause distortions in the energy and time spectrum that could have an important role in determining the mass hierarchy and better constraints for the mixing angle.

The Standard Model (SM) is the theory that describes elementary particles and their fundamental interactions. In the Standard Model neutrinos are massless particles. Nevertheless, this has been proven wrong by neutrino oscillation experiments. Neutrinos possess mass, but several orders of magnitude below those of the other SM fermions. This invites the consideration of new physics, beyond that described by the SM, that could explain the smallness of neutrino mass. This is achieved, in particular, in the Type-1 Seesaw model, which is the focus of this work. Neutrinos are especially difficult to detect in colliders, since they are chargeless, they leave no tracks, and no energy in the calorimeters. However, if massive enough, these new neutrinos can decay into charged particles inside the collider, which results in tracks with displaced vertices. A complete analysis of this processes is required in order to characterize the parameters of these new particles. In this work we use the MonteCarlo simulation program MadGraph to study the relevant processes that involve these neutrinos. The principal objective of this work is to define the probability to observe the heavy neutrinos as Higgs decay products in the LHC (and HL-LHC), when they have been produced via vector boson fusion (VBF) and are in the section of parameter space useful for displaced vertices.

Esta tesis contiene al Trabajo de Investigación para Bachillerato presentado en [1], donde se incluyen los capítulos 1, 2 y 3. Estos han sido revisados y corregidos según correspondía. Los capítulos 4, 5 y 6 de este trabajo son contribuciones nuevas. Los neutrinos juegan un papel importante en nuestro entendimiento de la naturaleza y están siendo estudiados exhaustivamente en la actualidad. En particular, la solución de oscilaciones de neutrinos inducidas por masa está respaldada por contundente evidencia experimental, y presenta un excelente escenario para observar nuevas interacciones con materia. Como un punto de partida en la investigación en Física de Neutrinos, nuestro objetivo es revisar el formalismo de oscilaciones de neutrinos e Interacciones No-Estándar (NSI). Este trabajo propone la revisión de la descripción en Mecánica Cuántica de las oscilaciones de neutrinos, discutiendo las inconsistencias de las aproximaciones usuales y planteando una más precisa. El mecanismo de oscilaciones en materia también es estudiado con el propósito de derivar las ecuaciones diferenciales a resolver para la evolución de estados. Además, debido a que su masa puede causarlas, revisamos el marco comúnmente usado de Interacciones No-Estándar de neutrinos con materia y su introducción en las ecuaciones. Los efectos de NSI son considerados en la producción, detección y propagación de neutrinos, particularmente en el contexto de Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Para encontrar los estados evolucionados, se desarrolló un programa para resolver la ecuación de Schrödinger numéricamente. Los resultados fueron comparados con los datos existentes de un software de simulación de experimentos de neutrinos, permitiendo la validación de nuestras soluciones y, de la misma manera, la modificación apropiada del software. Los efectos de las Interacciones No-Estándar son presentadas de manera más evidentes.

Reevaluamos el decaimiento visible de neutrinos en presencia de materia. Estudiamos estos efectos en dos futuros experimentos de long-baseline donde los efectos de materia son relevantes: DUNE (1300 km) y un hipotético haz dirigido hacia ANDES (7650 km). Encontramos que los efectos de materia del componente visible del decaimiento de neutrinos son insignificantes en DUNE, siendo mucho más relevante en ANDES. Realizamos una simulación detallada de DUNE, considerando los canales Vu disappearance y Ve appearance, para ambos modos FHC y RHC. La sensitividad de la constante de decaimiento alpha 3 puede ser tan baja como 2 x 10-6 eV2 a 90% C.L., dependiendo de la masa de los neutrinos y el tipo de acoplamiento. También mostramos el impacto del decaimiento de neutrinos en la determinación de theta23 y deltaCP, y encontrar que el mejor valor de ajuste de theta23 puede moverse desde un valor real en un octante inferior hacia un octante superior. / Neutrino visible decay in the presence of matter is re-evaluated. We study these effects in two future long-baseline experiments where matter effects are relevant: DUNE (1300 km) and a hypothetical beam aimed towards ANDES (7650 km). We find that matter effects are negligible for the visible component of neutrino decay at DUNE, being much more relevant at ANDES. We perform a detailed simulation of DUNE, considering Vu disappearance and Ve appearance channels, for both FHC and RHC modes. The sensitivity to the decay constant alpha 3 can be as low as 2 x 10-6 eV2 a 90% C.L., depending on the neutrino masses and type of coupling. We also show the impact of neutrino decay in the determination of theta23 and deltaCP, and find that the bestfit value of theta 23 can move from a true value at the lower octant towards the higher constant

This thesis tackles two essential topics of neutrino physics: neutrino decay and neutrino cross-section measurement. First, the invisible and visible neutrino decay is analyzed through a phenomenological approach, considering future long-baseline neutrino experiments such as DUNE and a hypothetical neutrino beam toward the ANDES laboratory. The study takes into account the νμ and νe disappearance and appearance, respectively, for both FHC and RHC flux modes. The results showed a negligible matter effect for DUNE but significantly more notable at ANDES. At 90% C.L., the sensitivity to the decay parameter α3 can be as small as 2 × 10−6 eV2 for a chosen coupling. The impact of neutrino decay in the determination of θ23 and δCP were also shown. Second, the double-differential cross-section measurement for νμ-carbon interactions with three-momentum transfer |q| < 1.2 GeV obtained with medium energy exposures in the NuMI beam at MINERvA experiment are reported. The measurement is presented as a function of |q| and Eavail and reviews different interaction models and nuclear effects along quasi-elastic to resonance processes to define a new model for a better agreement. The double differential cross sections are compared to the MnvTunes, GENIE, and NuWro predictions. / Esta tesis aborda dos temas esenciales de la física de neutrinos: el decaimiento de neutrinos y la sección transversal de neutrinos. En primer lugar, el decaimiento invisible y visible de neutrinos se analiza a través de un enfoque fenomenológico, considerando dos futuros experimentos de neutrinos de long baseline como DUNE y asumiendo un hipotético haz de neutrinos hacia el laboratorio ANDES. El estudio concidera la desaparición y aparición de νμ y νe, respectivamente, para los modos de flujo neutrinos FHC y RHC. Los resultados mostraron un efecto de materia insignificante para DUNE, en contraste, más notable en ANDES. A 90% C.L., la sensibilidad al parámetro de decaimiento α3 puede ser tan pequeña como 2 ×106 eV2 para un acoplamiento dado. Tambise mostra el impacto de la desintegración de neutrinos en la determinación de θ23 y δCP . En segundo lugar, la medición de la sección transversal diferencial doble para las interacciones νμ-carbono con transferencia de momentum |q| < 1.2 GeV obtenidos con una exposición a la energía media de neutrinos en el haz NuMI en el experimento MINERvA. La medida se presenta en función de |q| y Eavaill, además se revisa diferentes modelos de interacción y efectos nucleares a lo largo de procesos cuasi-elásticos a resonantes para definir un nuevo modelo para un mejor acuerdo con los datos. Las secciones transversales diferenciales dobles se comparan con las predicciones de MnvTunes, GENIE y NuWro.