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.

Orientador: Orlando Luis Goulart Peres / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-17T22:10:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Picoreti_Renan_M.pdf: 2695409 bytes, checksum: 33f93ce114e33774d72d40191bbac72b (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Neutrinos Astrofísicos são produzidos quando prótons ou núcleos, acelerados numa fonte astrofísica, interagem com a matéria nas imediações gerando méons que decaem fracamente produzindo neutrinos. Remanescentes de Supernovas, Núcleos Ativos de Galáxias (AGN) e Explosões de Raios Gama (GRB) são alguns dos candidatos a fontes, e a detecção desses neutrinos pode fornecer informações tanto sobre esses objetos astrofísicos quanto sobre a física de neutrinos. Neste trabalho, supomos, de forma simplificada, que nas fontes são produzidos mésons ¶ ± num espectro de lei de potência da energia, 8 E¶ -a . Calculando-se os espectros de produção dos neutrinos gerados na cadeia de decaimento, obtém-se, no limite em que as partículas são ultrarrelativísticas, uma razão entre sabores de neutrinos muônicos e eletrônicos que é função do expoente do espectro inicial, a, dos píons. Calculamos uma correção a essa razão devido a termos proporcionais à massa do elétron, geralmente desprezada na literatura, e verificamos a validade da razão na aproximação ultrarrelativística. Entre produção e detecção, a razão entre sabores deve se modificar devido ao fenômeno da oscilação de neutrinos. Assim, discutimos a possibilidade de, através da detecção destes neutrinos e da medição da razão entre os sabores, inferir-se propriedades da produção dos neutrinos na fonte ou mesmo verificar-se a existência de novos fenômenos da física de neutrinos, em especial, o decaimento de neutrinos / Abstract: Astrophysical Neutrinos are produced when protons or nuclei, accelerated in a astrophysical source, interact with the surrounding matter generating weakly decaying mesons that decay producing neutrinos. Supernova Remnants, Active Galactic Nuclei (AGN) and Gamma-ray Bursts (GRB) are some of the candidates to such sources, and the detection of those neutrinos may provide information about these astrophysical objects and about neutrino physics. In this work, we suppose, in a simplified manner, that the sources produce ¶ ± mesons with a power law spectrum, 8¶ -a .Upon calculation of the neutrino production spectra on the pion decay chain, it is obtained, on the ultra-relativistic limit, the flavor ratio between muon and electron neutrinos as a function of the slope of the initial pion spectrum. We calculated a correction to this flavor ratio due to non-vanishing electron mass, usually disregarded, and we verified if the ultra-relativistic limit is reasonable. Between neutrino production and detection, the flavor ratio is modified due to the neutrino flavor oscillation. Thus, we discuss the possibility of inferring the source properties or new neutrino physics phenomena, such as neutrino decay, through the detection of astrophysical neutrinos and the measurement of its flavor ratio / Mestrado / Física das Particulas Elementares e Campos / Mestre em Física

Orientador: Orlando Luis Goulart Peres. / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin. / Made available in DSpace on 2018-08-12T10:38:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BastoGonzalez_VictorSaul_M.pdf: 1541009 bytes, checksum: b798dea659147d5050c68800d40ceb0a (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Com este trabalho buscamos entender o fenômeno de oscilações de neutrinos na matéria. Para isto, estudamos a propagação de neutrinos em Supernovas. O estudo é feito nestes objetos astrofísicos, pois são produzidos neutrinos de todos os sabores quando a estrela progenitor da Supernova é muito massiva. Além de isto, estes corpos celestes atingem densidades muito maiores que a densidade solar. Uma razão adicional muito importante é que os neutrinos são mensageiros ideais e poderão ser observados antes mesmo da observação óptica da explosão de Supernova, assim eles podem fornecer informação sobre os processo que levam à formação de Supernova. Para fazer esse estudo consideramos os valores atuais dos parâmetros de oscilações de neutrinos e um perfil de densidade para a matéria da estrela moribunda. Encontramos que os neutrinos experimentam o efeito Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein (MSW) em dois regimes de densidades diferentes. A existência destas regiões dependerá da hierarquia nas massas dos neutrinos e se é partícula/antipartícula. Encontramos que para no caso de antineutrinos eletrônicos o fluxo na Terra dependerá do tipo de hierarquia e do valor do ângulo de mistura q13, esse ângulo de mistura modificará o tipo de transição pela zona de ressonância de densidades altas na Supernova. Encontramos que o número de eventos, para esses antineutrinos, è diferente se a hierarquia na massa é normal ou invertida. A diferença é mais notória se a luminosidade em neutrinos não está equipartida. Também encontramos que o número de eventos no detector Super-Kamiokande dependerá do tipo de propagação na região mais interna de Supernova para hierarquia invertida e caso q 13 10-3 , podemos ter informação sobre esses ângulo de mistura caso conseguiremos diferenciar o espectro sem oscilação e com oscilação induzido por efeito puramente adiabático. Neste estudo não tivemos em conta o efeito da matéria na Terra. / Abstract: In this work we study the behaviour of the neutrino oscillations in the matter. To do so, we studied the propagation of neutrinos in Supernovae. The study is done on this astrophysical objects because there are produced all avor of neutrinos when the Supernova progenitor star is very massive. Moreover, this celestial bodies reach much higher densities than the solar density. An additional and very important reason to study neutrinos in Supernova is because neutrinos are ideal messengers, thus they could be detected even before of the optical observation of the Supernova explosion. We considered the updated oscillation parameter values for neutrinos and a density profile of the matter in the dying star. Also, we consider that in the neutrino propagation in a medium it is modified by the medium density, being known as Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein (MSW) effect. The existence of regions in which the MSW effect is very relevant will depend on the mass hierarchy of the neutrinos/antineutrinos and if they are neutrinos or antineutrinos. We found in the case of anti electron neutrinos that the ux in the Earth will depend on the type of hierarchy and on the value of the mixing angle q 13, that angle will modify the kind of transition in the resonance zone in the regime of high densities in the Supernova. We calculated the number of events for those antineutrinos and we have found that the value depend if the mass hierarchy is normal or inverted. The difference is even more evident if the total luminosity of the neutrinos is not equally distributed between the all neutrino avors. Finally, we also found that the number of events in the Super-Kamiokande detector will depend on the propagation in the Supernova inner region for the inverted hierarchy and when the mixture angle q 13 10-3. In this study we will not consider the Earth¿s matter effect. / Mestrado / Física das Particulas Elementares e Campos / Mestre em Física

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

Le détecteur IceCube est constitué d'un réseau de modules optiques digitaux (DOMs) déployés sur un volume d'1 km³ dans la glace antarctique. Les DOMs enregistrent la lumière Cerenkov émise par les particules secondaires issues des interactions des neutrinos avec la glace. Selon la répartition géographique des signaux lumineux dans la glace, on peut différencier les différentes saveurs de leptons et ainsi identifier la saveur du neutrino primaire. Les modèles astrophysiques prédisent une production dominante de neutrinos électroniques et muoniques au sein d'accélérateurs cosmiques. Cependant, lors de leur propagation dans l'univers, ces neutrinos oscillent et on s'attend à observer sur Terre le même flux des trois saveurs de neutrinos. Comme la production de neutrinos tauiques dans l'atmosphère est négligeable, ce canal est affecté d'un bruit de fond intrinsèque quasi nul.<p><p>Ce travail porte sur la détection de neutrinos tauiques d'origine cosmique. A haute énergie (E>PeV), le lepton tau, produit par le neutrino tauique, se propage sur une centaine de mètres avant de se désintégrer. Nous optimisons notre recherche pour le canal de désintégration muonique qui, s'il se produit dans le volume de détection, présente une signature unique. En effet, les différences de masse du tau et du muon induisent des différences quant à leur processus de perte d'énergie qui mènent à une différence de luminosité le long des traces du tau et du muon. <p><p>Nous avons développé une observable originale reposant sur les charges enregistrées par les différents DOMs pour caractériser la luminosité le long d'une trace afin de différencier les traces de muons de celles de taus se désintégrant en muon .Cependant, au niveau de déclenchement du détecteur, on est confronté à un bruit de fond de muons atmosphèriques un million de fois supérieur au signal. Nous avons donc mis en place une série de coupures afin de réduire ce bruit de fond et ainsi augmenter la pureté de notre échantillon. <p><p>Enfin l'application de ces coupures sur un échantillon de données réelles enregistrées durant la saison 2009-2010 et l'absence de signal détecté permettent de poser une limite supérieure sur le flux de neutrinos tauiques. Ceci constitue la première limite expérimentale pour des neutrinos tauiques d'énergies inférieures à 20 PeV. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

[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.

Le projet Hellaz se propose de mesurer séparément le flux des deux principales sources de neutrinos (pp and béryllium) émis par le Soleil, en utilisant la diffusion élastique neutrino-électron dans une chambre à projection temporelle (TPC) remplie d'hélium à 20 bars. La cinématique de cette réaction, permet de retrouver l'énergie du neutrino incident à partir de l'énergie et de la direction de l'électron de recul.<br> L'électron de recul crée une trace jusqu'à son arrêt dans la TPC ( 5 cm de long pour 100 keV), en ionisant le gaz le long de cette trace. Les électrons d'ionisation ainsi créés dérivent sous l'action d'un champ électrique, en diffusant,et sont détectés individuellement en X, Y et Z par des chambres ultrarapides MICROMEGAS.<br> Le travail de cette thèse a consisté à réaliser une chaîne complète de simulations permettant de montrer la faisabilité du projet.<br> Au départ, GEANT 3 simule le nuage d'électrons d'ionisation créé par un électron de basse énergie. L'efficacité de détection des électrons est calculée, en fonction de l'énergie de l'électron de recul et du lieu de l'interaction dans la TPC.<br> On montre alors qu'on peut mesurer le spectre des neutrinos solaires avec une résolution de 10%, et ce en introduisant un bruit de fond radioactif réaliste (10000 Compton par jour) provenant des gammas émis par l'U-Th résiduel des parois du détecteur, ce qui montre la faisabilité du projet, à condition toutefois de pouvoir détecter des électrons uniques.

published_or_final_version / abstract / Physics / Master / Master of Philosophy

<p align="justify">The success of Big Bang Nucleosynthesis (BBN) combined with the detailed analysis of the small imperfections of the Cosmic Microwave Background blackbody spectrum lead to the conclusion that most of the matter content of our universe is made of some non-baryonic material, the dark matter!</p> <p align="justify">In this thesis, we review the compiling indications of dark matter and the so-called freeze-out mechanism which may settle the relic density of the species in the framework of the standard Big Bang model. We also examine principally two methods of detection of dark matter, direct and indirect detection searches.</p> <p align="justify">Let us stress that the Standard Model on its own is unable to provide enough aspirants for the role of dark matter. As a consequence, one has to dig into the tremendous domain of physics "Beyond the Standard Model" in order to have a chance to elucidate the problem of the missing mass.</p> <p align="justify">In this thesis in particular, we consider the Inert Doublet Model (IDM) which includes an additional Higgs doublet, enclosing two neutral scalars candidates for dark matter. We invoke the Standard freeze-out mechanism for the production of dark matter. We get then dark matter candidates in two rather separate mass ranges, one between 40 and 80 GeV, the other one between 400 GeV and 1 TeV. We also show that dark matter annihilation at the galactic center can be at the origin of a gamma-ray flux which can be probed by the future GLAST experiment.</p> <p align="justify">We address a low reheating temperature scenario for the genesis of dark matter in a Left-Right symmetric extension of the Standard Model. The candidate for dark matter is a MeV right-handed neutrino and we show that a baryon-dark matter interaction at the galactic center can be the source of the low energy positrons responsible for the 511 keV gamma-ray excess observed by the INTEGRAL experiment in the galactic bulge region.</p> <p align="justify">Finally, prompted by the possibility to explain the baryon and dark matter rather similar abundances by one single "Matter Genesis" mechanism, we study a non-thermal production mechanism for dark matter. The framework is also Left-Right symmetric and dark candidate is a ~3 GeV right handed neutrino.</p>