This thesis studies neutrino oscillations at the proposed ESSnuSB experiment and the effects of invisible decay, where the neutrino mass states are assumed to be able to decay, on the planned measurements and the physics potential for this experiment to detect neutrino decays. This is accomplished by simulating a combined scenario of neutrino oscillations and invisible neutrino decay. It is found that the ESSnuSB experiment would be able to put a bound on the decay parameter $\tau_3 / m_3 = 2.64 (1.68) \times 10^{-11}$~s/eV for the baseline option $360 (540)$~km at $3\sigma$. Further, the effect of invisible neutrino decay on measurements of CP-violation and the precision measurements of $\delta_{\mathrm{CP}}$ for both baseline options are investigated. The results show that the effect is not significant in any case for CP-violation measurements. A significant difference in the precision measurements of $\delta_{\mathrm{CP}}$ is found only when decay is assumed to exist but is not accounted for in the theoretical model. / Det här arbetet undersöker neutrinooscillationer vid det föreslagna experimentet ESSnuSB och ett nytt scenario med osynligt sönderfall av neutriner, där neutriner antas sönderfalla till partiklar som inte växelverkar. Arbetet undersöker hur väl ESSnuSB experimentet kan skilja en modell med neutrinosönderfall från Standardmodellen för neutriner utan sönderfall och hur experimentets andra tester påverkas av neutrinosönderfall. Studien har genomförts genom att simulera en kombinerad modell av neutrinooscillationer och neutrinosönderfall för ESSnuSB-experimentet. Analysen visar att ESSnuSB-experimentet skulle kunna sätta en $3\sigma$-gräns på sönderfallsparametern $\tau_3 / m_3 = 2.64 (1.68) \times 10^{-11}$~s/eV för baslinjelängden $360 (540)$~km. Vidare så studeras hur neutrinosönderfall påverkar mätningar av CP-symmetribrott och precisionsmätning av parametern $\delta_{\mathrm{CP}}$ för båda baslinjelängderna. Resultaten visar att påverkan av neutrinosönderfall på mätningar av CP-symmetribrott är liten. En signifikant skillnad i precisionsmätning av $\delta_{\mathrm{CP}}$ kan ses enbart då neutrinosönderfall antas sant men inte inkluderas i den teoretiska modellen.

Neutrino oscillations in matter can be studied in different regimes, depending on the energy of the incoming neutrinos and the matter density of the medium. In this thesis we investigate neutrino oscillations in dense matter at very high energy (TeV-PeV range), taking into account the absorption that the neutrinos may undergo in such dense media. This absorption phenomenon is relevant for neutrino telescope measurements of astrophysical neutrinos. We begin with a brief reminder on neutrino oscillations in vacuum and the construction of the PMNS matrix. Then, we proceed with calculations for dense matter. We then explore the accuracy of the resulting effective 2-neutrino mixing formulas. They present a good accuracy for Earth-like densities in our range of energies. We develop the calculations for oscillation probabilities in dense matter with absorption through charged-current inelastic scattering for both the two-neutrino and three-neutrino case. We find that in dense media, astrophysical neutrinos indeed undergoabsorption, which reduces signicantly the fluxes for each flavor, with a resonant absorption of electron-anti-neutrinos around E_{res}\simeq 6.3PeV. We discuss the impact of neutrino absorption in the Earth for neutrino telescopes measurements. We find that solar and lunar shadowing is not problematic for current telescopes but could be a good angular resolution indicator for new telescopes to come. / Neutrinooscillationer i materia kan studeras i olika regimer beroende på inkommande neutrinernas energi och densiteten hos det bakomliggande mediet. I detta examensarbete undersöker vi neutrinooscillationer i gränsen av tät materia och mycket hög energi (TeV-PeV-intervall), och tar hänsyn till den absorption av neutriner som då kan inträffa i sådant materia. Detta absorptionsfenomen är relevant för neutrino-teleskopmätningar av astrofysiska neutriner. Vi börjar med att kort påminna oss om neutrinooscillationer i vakuum och konstruktionen av PMNS-matrisen. Vi försätter sedan med beräkningar av neutrinooscillationer i tät materia. Vi undersöker noggrannheten i resulterande effektiva 2-neutrino-blandningsformlerna. De uppvisar en god noggrannhet i jordlika materieprofiler i vårt intervall av energier. Vi utvecklar beräkningarna av oscillationssannolikheterna i tät materia inklusive absorption genom laddad ström oelastisk spridning i båda två- och tresmaksfallen. Vi finner att astrofysiska neutriner i tät materia absorberas, vilket minskar betydligt flödena för varje smak, med en resonansabsorption av elektron-antineutrino omkring E_res\simeq 6.3PeV. Vi diskuterar sedan effekterna av neutrinoabsorption på jorden för neutrino-teleskopmätningar. Vi finner att sol- och månskuggning är inte problematisk för nuvarande teleskop och kunde vara en bra vinkelupplösningsindikator för kommande teeskop.

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

The standard model of particle physics can excellently describe the vast majorityof data of particle physics experiments. However, in its simplest form, it cannot account for the fact that the neutrinos are massive particles and lepton flavorsmixed, as required by the observation of neutrino oscillations. Hence, the standardmodel must be extended in order to account for these observations, opening up thepossibility to explore new and interesting physical phenomena. There are numerous models proposed to accommodate massive neutrinos. Thesimplest of these are able to describe the observations using only a small numberof effective parameters. Furthermore, neutrinos are the only known existing particleswhich have the potential of being their own antiparticles, a possibility that isactively being investigated through experiments on neutrinoless double beta decay.In this thesis, we analyse these simple models using Bayesian inference and constraintsfrom neutrino-related experiments, and we also investigate the potential offuture experiments on neutrinoless double beta decay to probe other kinds of newphysics. In addition, more elaborate theoretical models of neutrino masses have beenproposed, with the seesaw models being a particularly popular group of models inwhich new heavy particles generate neutrino masses. We study low-scale seesawmodels, in particular the resulting energy-scale dependence of the neutrino parameters,which incorporate new particles with masses within the reach of current andfuture experiments, such as the LHC. / Standardmodellen för partikelfysik beskriver den stora majoriteten data från partikelfysikexperimentutmärkt. Den kan emellertid inte i sin enklaste form beskrivadet faktum att neutriner är massiva partiklar och leptonsmakerna är blandande,vilket krävs enligt observationerna av neutrinooscillationer. Därför måste standardmodellenutökas för att ta hänsyn till detta, vilket öppnar upp möjligheten att utforska nya och intressanta fysikaliska fenomen. Det finns många föreslagna modeller för massiva neutriner. De enklaste av dessakan beskriva observationerna med endast ett fåtal effektiva parametrar. Dessutom är neutriner de enda kända befintliga partiklar som har potentialen att vara sinaegna antipartiklar, en möjlighet som aktivt undersöks genom experiment på neutrinolöst dubbelt betasönderfall. I denna avhandling analyserar vi dessa enkla modellermed Bayesisk inferens och begränsningar från neutrinorelaterade experiment och undersöker även potentialen för framtida experiment på neutrinolöst dubbelt betasönderfall att bergänsa andra typer av ny fysik. Även mer avancerade teoretiska modeller för neutrinomassor har föreslagits, med seesawmodeller som en särskilt populär grupp av modeller där nya tunga partiklargenererar neutrinomassor. Vi studerar seesawmodeller vid låga energier, i synnerhetneutrinoparametrarnas resulterande energiberoende, vilka inkluderar nya partiklarmed massor inom räckh°all för nuvarande och framtida experiment såsom LHC. / <p>QC 20130830</p>