Phenomenology of Massive Neutrinos: from Oscillations to new Physics

Transiciones de sabor han sido observadas en diferentes fuentes de neutrinos. Históricamente, una cantidad menor de neutrinos solares y atmosféricos fue medida en comparación con lo esperado según los modelos teóricos. En el 2002, el mecanismo de oscilación explicó con éxito el déficit tanto de los neutrinos solares como de los neutrinos atmosféricos. Actualmente, las transiciones de sabor en neutrinos producidos en diversas fuentes como el Sol, la atmósfera terrestre, aceleradores y reactores son correctamente descritas dentro del marco de oscilación de tres neutrinos. Desde el punto de vista teórico, la importancia de la oscilación de neutrinos radica en la existencia de neutrinos masivos no considerada en primera instancia en el modelo estándar de partículas (SM). Por lo tanto la oscilación de neutrinos es una de la evidencias experimentales de física más allá del SM. El mecanismo de oscilación, puede ser descrito por seis parámetros: tres ángulos de mezcla, una fase de violación CP y dos escalas de masa definidas por la diferencia de masas de neutrinos al cuadrado. Uno de los objetivos de esta tesis es determinar los valores de los seis parámetros en mención, usando la información disponible de los eventos de neutrinos de las diferentes fuentes reportados por las colaboraciones experimentales. A lo largo del primer capítulo de la tesis explicamos en qué consiste el mecanismo de oscilación, las relaciones funcionales entre los parámetros de oscilación y cómo obtener los valores de los parámetros dando ejemplos del análisis de datos experimentales en ciertos canales de oscilación. Finalmente, mostramos los valores de los seis parámetros de oscilación como resultado del análisis global de los experimentos de neutrinos. El sector leptónico del SM por lo tanto, debe ser extendido para incluir neutrinos masivos, lo cual lleva a una mayor brecha entre las masas de las partículas de las diferentes familias del SM. Adicionalmente, dos de los ángulos de mezcla, atmosférico y solar, son mucho más grandes que el ángulo de Cabbibo (que caracteriza la mezcla en el sector de quarks). En particular, el ángulo de mezcla atmosférico es compatible con el valor máximo de mezcla. Si asumimos que el ángulo de mezcla medido recientemente en experimentos de reactor es cero, como era el caso antes de 2012, podríamos asumir que la estructura de la mezcla de neutrinos tiene un patrón que puede ser consecuencia de imponer una simetría de sabor. Éste ha sido el punto de partida hacia una formulación basada en simetrías de sabor para explicar el patrón de mezcla en el sector leptónico, en algunos casos incluyendo también el sector de quarks. Sin embargo, el valor del ángulo de mezcla de reactores no es compatible con cero lo cual no es simple de obtener a través de simetrías de sabor. En particular, la estructura conocida como tri-bi-maximal, la cual es obtenida en modelos con la simetría de sabor $A_4$, está excluida. En el segundo capítulo de esta tesis mostramos cómo a partir de un modelo basado en la simetría de sabor $A_4$ conseguimos explicar la matriz de mezcla actual en el sector leptónico a través de correcciones al sector cargado. Está claro que debemos incluir neutrinos masivos en el SM. Sabemos que las masas de los neutrinos pueden ser generadas efectivamente a través de un operador de dimensión cinco pero, sin embargo, no sabemos la naturaleza de dicho operador. Varias formas de generar el operador de dimensión cinco son posibles, algunas implicando una alta escala (del orden de la escala GUT) mientras que otras realizaciones pueden estar a una baja escala (del orden del TeV). Así, los esquemas de baja escala, como el seesaw inverso y lineal, son fenomenológicamente interesantes porque no solo explican la pequeñez de la masa del neutrino sino que también contribuyen a procesos que violan el sabor leptónico (LFV), saturando los limites actuales. Como la escala seesaw es baja en estos modelos, la matriz leptónica de mezcla efectiva no es unitaria lo que produce efectos no estándar (no incluida en el capítulo 1) en la propagación de los neutrinos. En el capítulo 3 estudiamos la desviación de la unitariedad de la matriz de mezcla de los neutrinos usando los límites de procesos que violan el sabor leptónico con leptones cargados. Encontramos que la desviación de la unitariedad, en estos modelos, pude ser hasta del uno por ciento. Motivados por los efectos no estándar en los modelos de baja escala, como los seesaw tipo inverso y lineal, en el último capítulo estudiamos, de una manera independiente del modelo, las llamadas interacciones no estándar de los neutrinos (NSI). Tras introducir la parametrización de las NSI como operadores de cuatro fermiones con acoplamientos generales proporcionales a la constante de Fermi, determinamos los parámetros específicos que afectan la producción y la detección de neutrinos generados en reactores. Notamos que las NSI afectan la determinación del ángulo de mezcla $\theta_{13}$ dependiendo también de los valores de las fases no estándar y de la fase de violación CP. Acotamos los acoplamientos adimensionales de las NSI usando los datos de la colaboración \texttt{Daya Bay}, que son los datos que han determinado mejor el ángulo de mezcla $\theta_{13}$. Encontramos que los limites dependen de los valores de las las fases no estándar y especialmente del tratamiento del error en la determinación de la normalización del flujo de antineutrinos que viene de los reactores

Neutrino mixing with revamped A(4) flavor symmetry

We suggest a minimal extension of the simplest A(4) flavor model that can induce a nonzero theta(13) value, as required by recent neutrino oscillation data from reactors and accelerators. The predicted correlation between the atmospheric mixing angle theta(23) and the magnitude of theta(13) leads to an allowed region substantially smaller than indicated by neutrino-oscillation global fits. Moreover, the scheme correlates CP violation in neutrino oscillations with the octant of the atmospheric mixing parameter theta(23) in such a way that, for example, maximal mixing necessarily violates CP. We briefly comment on other phenomenological features of the model

Simheurística para el problema de VRP con demandas y tiempos estocásticos

En la vida real, el ‘Vehicle Routing Problem’ (VRP) incluye variables que consideran la estocasticidad de las demandas y los tiempos. La mayoría de los trabajos y estudios alrededor de este tema tratan el problema VRP en términos determinísticos con el fin de limitar y acotar este, de manera que sea más fácil resolver. La solución de un problema como el VRP con demandas y tiempos estocásticos brinda la oportunidad de poner en un contexto más real los problemas con los que se enfrentan las compañías diariamente como el desconocimiento de la demanda exacta de sus clientes, los tiempos de traslado y los tiempos de llegada aceptables para surtir el producto. El implementar un modelo que tenga en consideración estas variables aleatorias, permite tener un acercamiento más certero de los posibles costos en los que se pueden incurrir y a la vez, saber qué estrategias utilizar para minimizarlos. Por ello se diseñará una simheurística hibridizada con la metodología Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-ll) para minimizar los costos y la tardanza en un VRP con demandas estocásticas, tiempos de ruta estocásticos y ventanas de tiempo, que puede ser aplicado en entornos reales.In real life, the “Vehicle Routing Problem” (VRP) includes variables that take into account the stochasticity of demands and times. Most of the works and studies around this problem, consider the VRP in a deterministic way in order to limit it and to solve it easier. Solving a problem like VRP with stochastic demands and times, provides the opportunity to give a more realistic context to the problems that companies face daily related with the lack of information of the specific demand, times and time windows that their customers have. Implementing a model that analyzes these random variables, allows a more accurate approach to the costs that may be incur at and at the same time, creates the possibility to generate strategies to reduce them. Therefore, a hybridized simheuristic will be designed with the Non-Dominated Genetic Algorithm (NSGA-ll) methodology to minimize costs and tardiness in a VRP with stochastic demands, route times and time windows, which can be applied in real environments.Ingeniero (a) IndustrialPregrad

A Gaseous Argon-Based Near Detector to Enhance the Physics Capabilities of DUNE

This document presents the concept and physics case for a magnetized gaseous argon-based detector system (ND-GAr) for the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Near Detector. This detector system is required in order for DUNE to reach its full physics potential in the measurement of CP violation and in delivering precision measurements of oscillation parameters. In addition to its critical role in the long-baseline oscillation program, ND-GAr will extend the overall physics program of DUNE. The LBNF high-intensity proton beam will provide a large flux of neutrinos that is sampled by ND-GAr, enabling DUNE to discover new particles and search for new interactions and symmetries beyond those predicted in the Standard Model

Snowmass Neutrino Frontier: DUNE Physics Summary

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is a next-generation long-baseline neutrino oscillation experiment with a primary physics goal of observing neutrino and antineutrino oscillation patterns to precisely measure the parameters governing long-baseline neutrino oscillation in a single experiment, and to test the three-flavor paradigm. DUNE's design has been developed by a large, international collaboration of scientists and engineers to have unique capability to measure neutrino oscillation as a function of energy in a broadband beam, to resolve degeneracy among oscillation parameters, and to control systematic uncertainty using the exquisite imaging capability of massive LArTPC far detector modules and an argon-based near detector. DUNE's neutrino oscillation measurements will unambiguously resolve the neutrino mass ordering and provide the sensitivity to discover CP violation in neutrinos for a wide range of possible values of δCP. DUNE is also uniquely sensitive to electron neutrinos from a galactic supernova burst, and to a broad range of physics beyond the Standard Model (BSM), including nucleon decays. DUNE is anticipated to begin collecting physics data with Phase I, an initial experiment configuration consisting of two far detector modules and a minimal suite of near detector components, with a 1.2 MW proton beam. To realize its extensive, world-leading physics potential requires the full scope of DUNE be completed in Phase II. The three Phase II upgrades are all necessary to achieve DUNE's physics goals: (1) addition of far detector modules three and four for a total FD fiducial mass of at least 40 kt, (2) upgrade of the proton beam power from 1.2 MW to 2.4 MW, and (3) replacement of the near detector's temporary muon spectrometer with a magnetized, high-pressure gaseous argon TPC and calorimeter

Scintillation light detection in the 6-m drift-length ProtoDUNE Dual Phase liquid argon TPC

DUNE is a dual-site experiment for long-baseline neutrino oscillation studies, neutrino astrophysics and nucleon decay searches. ProtoDUNE Dual Phase (DP) is a 6  ×  6  ×  6 m 3 liquid argon time-projection-chamber (LArTPC) that recorded cosmic-muon data at the CERN Neutrino Platform in 2019-2020 as a prototype of the DUNE Far Detector. Charged particles propagating through the LArTPC produce ionization and scintillation light. The scintillation light signal in these detectors can provide the trigger for non-beam events. In addition, it adds precise timing capabilities and improves the calorimetry measurements. In ProtoDUNE-DP, scintillation and electroluminescence light produced by cosmic muons in the LArTPC is collected by photomultiplier tubes placed up to 7 m away from the ionizing track. In this paper, the ProtoDUNE-DP photon detection system performance is evaluated with a particular focus on the different wavelength shifters, such as PEN and TPB, and the use of Xe-doped LAr, considering its future use in giant LArTPCs. The scintillation light production and propagation processes are analyzed and a comparison of simulation to data is performed, improving understanding of the liquid argon properties

Snowmass Neutrino Frontier: DUNE Physics Summary

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is a next-generation long-baseline neutrino oscillation experiment with a primary physics goal of observing neutrino and antineutrino oscillation patterns to precisely measure the parameters governing long-baseline neutrino oscillation in a single experiment, and to test the three-flavor paradigm. DUNE's design has been developed by a large, international collaboration of scientists and engineers to have unique capability to measure neutrino oscillation as a function of energy in a broadband beam, to resolve degeneracy among oscillation parameters, and to control systematic uncertainty using the exquisite imaging capability of massive LArTPC far detector modules and an argon-based near detector. DUNE's neutrino oscillation measurements will unambiguously resolve the neutrino mass ordering and provide the sensitivity to discover CP violation in neutrinos for a wide range of possible values of $\delta_{CP}$. DUNE is also uniquely sensitive to electron neutrinos from a galactic supernova burst, and to a broad range of physics beyond the Standard Model (BSM), including nucleon decays. DUNE is anticipated to begin collecting physics data with Phase I, an initial experiment configuration consisting of two far detector modules and a minimal suite of near detector components, with a 1.2 MW proton beam. To realize its extensive, world-leading physics potential requires the full scope of DUNE be completed in Phase II. The three Phase II upgrades are all necessary to achieve DUNE's physics goals: (1) addition of far detector modules three and four for a total FD fiducial mass of at least 40 kt, (2) upgrade of the proton beam power from 1.2 MW to 2.4 MW, and (3) replacement of the near detector's temporary muon spectrometer with a magnetized, high-pressure gaseous argon TPC and calorimeter.Comment: Contribution to Snowmass 202

Reconstruction of interactions in the ProtoDUNE-SP detector with Pandora

The Pandora Software Development Kit and algorithm libraries provide pattern-recognition logic essential to the reconstruction of particle interactions in liquid argon time projection chamber detectors. Pandora is the primary event reconstruction software used at ProtoDUNE-SP, a prototype for the Deep Underground Neutrino Experiment far detector. ProtoDUNE-SP, located at CERN, is exposed to a charged-particle test beam. This paper gives an overview of the Pandora reconstruction algorithms and how they have been tailored for use at ProtoDUNE-SP. In complex events with numerous cosmic-ray and beam background particles, the simulated reconstruction and identification efficiency for triggered test-beam particles is above 80% for the majority of particle type and beam momentum combinations. Specifically, simulated 1 GeV/$c$ charged pions and protons are correctly reconstructed and identified with efficiencies of 86.1$\pm0.6$% and 84.1$\pm0.6$%, respectively. The efficiencies measured for test-beam data are shown to be within 5% of those predicted by the simulation.Comment: 39 pages, 19 figure

A Gaseous Argon-Based Near Detector to Enhance the Physics Capabilities of DUNE

This document presents the concept and physics case for a magnetized gaseous argon-based detector system (ND-GAr) for the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Near Detector. This detector system is required in order for DUNE to reach its full physics potential in the measurement of CP violation and in delivering precision measurements of oscillation parameters. In addition to its critical role in the long-baseline oscillation program, ND-GAr will extend the overall physics program of DUNE. The LBNF high-intensity proton beam will provide a large flux of neutrinos that is sampled by ND-GAr, enabling DUNE to discover new particles and search for new interactions and symmetries beyond those predicted in the Standard Model.Comment: Contribution to Snowmass 202

Identification and reconstruction of low-energy electrons in the ProtoDUNE-SP detector

Measurements of electrons from $\nu_e$ interactions are crucial for the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) neutrino oscillation program, as well as searches for physics beyond the standard model, supernova neutrino detection, and solar neutrino measurements. This article describes the selection and reconstruction of low-energy (Michel) electrons in the ProtoDUNE-SP detector. ProtoDUNE-SP is one of the prototypes for the DUNE far detector, built and operated at CERN as a charged particle test beam experiment. A sample of low-energy electrons produced by the decay of cosmic muons is selected with a purity of 95%. This sample is used to calibrate the low-energy electron energy scale with two techniques. An electron energy calibration based on a cosmic ray muon sample uses calibration constants derived from measured and simulated cosmic ray muon events. Another calibration technique makes use of the theoretically well-understood Michel electron energy spectrum to convert reconstructed charge to electron energy. In addition, the effects of detector response to low-energy electron energy scale and its resolution including readout electronics threshold effects are quantified. Finally, the relation between the theoretical and reconstructed low-energy electron energy spectrum is derived and the energy resolution is characterized. The low-energy electron selection presented here accounts for about 75% of the total electron deposited energy. After the addition of lost energy using a Monte Carlo simulation, the energy resolution improves from about 40% to 25% at 50~MeV. These results are used to validate the expected capabilities of the DUNE far detector to reconstruct low-energy electrons.Comment: 19 pages, 10 figure