Relations among neutrino observables in the light of a large theta_13 angle

The recent T2K and MINOS indications for a "large" theta_13 neutrino mixing angle can be accommodated in principle by an infinite number of Yukawa flavour structures in the seesaw model. Without considering any explicit flavour symmetry, there is an instructive exercise one can do: to determine the simplest flavour structures which can account for the data with a minimum number of parameters, simply assuming these parameters to be uncorrelated. This approach points towards a limited number of simple structures which show the minimum complexity a neutrino mass model must generally involve to account for the data. These basic structures essentially lead to only 4 relations between the neutrino observables. We emphasize that 2 of these relations, |sin theta_13|=(tan theta_23/cos delta)*(1-tan theta_12)/(1+tan theta_12) and |sin theta_13| = sin theta_12 R^1/4, with R= Delta m^2_21/Delta m^2_32, have several distinctive properties. First, they hold not only with a minimum number of parameters, but also for complete classes of more general models. Second, any value of theta_13 within the T2K and MINOS ranges can be obtained from these relations by taking into account small perturbations. Third, they turn out to be the pivot relations of models with approximate conservation of lepton number, which allow the seesaw interactions to induce observable flavour violating processes, such as mu -> e gamma and tau -> mu gamma. Finally, in specific cases of this kind, these structures have the rather unique property to allow a full reconstruction of the seesaw Lagrangian from low energy data.Comment: 13 pages, 3 figure

Muon to electron conversion, flavored leptogenesis and asymmetric dark matter in minimal extensions of the Standard Model

Il est clair que le Modèle Standard des particules élémentaires n'est pas complet. Parmi tous les indices d'une physique au-delà du Modèle Standard, la masse des neutrinos, l'asymétrie matière-antimatière de notre Univers et la matière noire constituent les trois contextes généraux de cette thèse.Le fait que les neutrinos soient massifs constitue la plus claire évidence d'une physique au-delà du Modèle Standard. La masse des neutrinos peut trouver une explication notamment dans le cadre des modèles favoris dits "modèles Seesaw". Ces modèles, en plus de générer une petite masse pour les neutrinos, génèrent aussi des processus dans lesquels la saveur d'un lepton chargé est changée, comme la désintégration d'un muon en un électron et un photon, ou la conversion d'un muon en un électron au sein d'un atome sans émission de neutrino. Ces processus sont importants car les expériences futures devraient atteindre des sensibilités impressionnantes sur leurs taux, mais aussi parce que leur observation confirmerait l'existence d'une physique nouvelle et pourrait peut-être discriminé parmi les différents modèles. Il est donc important d'avoir une expression analytique fiable du taux de ces processus dans le cadre de ces modèles Seesaw favoris. Dans la première partie de cette thèse, nous calculons l'expression du taux de conversion d'un muon en un électron au sein d'un atome dans le cadre des modèles Seesaw de type 1, et analysons la phénoménologie s'y rapportant. Ces modèles Seesaw, en plus de générer une petite masse pour les neutrinos et des processus changeant la saveur leptonique, permettent aussi la création de l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers, à travers le mécanisme dit de "leptogenèse". Selon ce mécanisme, une asymétrie leptonique aurait d'abord été créée, avant d'être partiellement transférée en une asymétrie baryonique. Dans la seconde partie de cette thèse, nous calculons et analysons la leptogenèse dans le cadre des modèles Seesaw de type 2 avec, pour la première fois, la prise en compte des effets de saveurs.Finalement, la troisième et dernière partie de cette thèse se concentre sur la possibilité de générer non seulement la matière baryonique à partir d'une asymétrie, mais aussi la matière noire. A cette fin, nous considérons le modèle dit "doublet inerte'', car il contient une interaction qui pourrait à priori générer de la matière noire à partir d'une asymétrie. Nous adressons dès lors la question suivante et y répondons: est-il possible de générer toute la matière noire à partir d'une asymétrie de matière noire dans le contexte du modèle doublet inerte ?Option Physique du Doctorat en Sciencesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

Muon to electron conversion, flavored leptogenesis and asymmetric dark matter in minimal extensions of the Standard Model

Il est clair que le Modèle Standard des particules élémentaires n'est pas complet. Parmi tous les indices d'une physique au-delà du Modèle Standard, la masse des neutrinos, l'asymétrie matière-antimatière de notre Univers et la matière noire constituent les trois contextes généraux de cette thèse.Le fait que les neutrinos soient massifs constitue la plus claire évidence d'une physique au-delà du Modèle Standard. La masse des neutrinos peut trouver une explication notamment dans le cadre des modèles favoris dits "modèles Seesaw". Ces modèles, en plus de générer une petite masse pour les neutrinos, génèrent aussi des processus dans lesquels la saveur d'un lepton chargé est changée, comme la désintégration d'un muon en un électron et un photon, ou la conversion d'un muon en un électron au sein d'un atome sans émission de neutrino. Ces processus sont importants car les expériences futures devraient atteindre des sensibilités impressionnantes sur leurs taux, mais aussi parce que leur observation confirmerait l'existence d'une physique nouvelle et pourrait peut-être discriminé parmi les différents modèles. Il est donc important d'avoir une expression analytique fiable du taux de ces processus dans le cadre de ces modèles Seesaw favoris. Dans la première partie de cette thèse, nous calculons l'expression du taux de conversion d'un muon en un électron au sein d'un atome dans le cadre des modèles Seesaw de type 1, et analysons la phénoménologie s'y rapportant. Ces modèles Seesaw, en plus de générer une petite masse pour les neutrinos et des processus changeant la saveur leptonique, permettent aussi la création de l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers, à travers le mécanisme dit de "leptogenèse". Selon ce mécanisme, une asymétrie leptonique aurait d'abord été créée, avant d'être partiellement transférée en une asymétrie baryonique. Dans la seconde partie de cette thèse, nous calculons et analysons la leptogenèse dans le cadre des modèles Seesaw de type 2 avec, pour la première fois, la prise en compte des effets de saveurs.Finalement, la troisième et dernière partie de cette thèse se concentre sur la possibilité de générer non seulement la matière baryonique à partir d'une asymétrie, mais aussi la matière noire. A cette fin, nous considérons le modèle dit "doublet inerte'', car il contient une interaction qui pourrait à priori générer de la matière noire à partir d'une asymétrie. Nous adressons dès lors la question suivante et y répondons: est-il possible de générer toute la matière noire à partir d'une asymétrie de matière noire dans le contexte du modèle doublet inerte ?Option Physique du Doctorat en Sciencesinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

Inert scalar doublet asymmetry as origin of dark matter

In the inert scalar doublet framework, we analyze what would be the effect of a B-L asymmetry that could have been produced at high temperature in the thermal bath of the Universe. We show that unless the "λ5" scalar interaction is tiny, this asymmetry is automatically reprocessed in part into an inert scalar asymmetry that could be at the origin of dark matter today. Along this scenario, the inert mass scale lies in the few-TeV range, and direct detection constraints require that the inert scalar particles decay into a lighter dark matter particle which, as the inert doublet, is odd under a Z2 symmetry.SCOPUS: ar.jinfo:eu-repo/semantics/publishe

Dynamical flavor origin of ZN symmetries

Discrete Abelian symmetries (ZN) are a common "artifact" of beyond the standard model physics models. They provide different avenues for constructing consistent scenarios for lepton and quark mixing patterns, radiative neutrino mass generation as well as dark matter stabilization. We argue that these symmetries can arise from the spontaneous breaking of the Abelian U(1) factors contained in the global flavor symmetry transformations of the gauge-invariant kinetic Lagrangian. This will be the case provided the ultraviolet completion responsible for the Yukawa structure involves scalar fields carrying nontrivial U(1) charges. Guided by minimality criteria, we demonstrate the viability of this approach with two examples: first, we derive the "scotogenic" model Lagrangian, and second, we construct a setup where the spontaneous symmetry-breaking pattern leads to a Z3 symmetry which enables dark matter stability as well as neutrino mass generation at the two-loop order. This generic approach can be used to derive many other models, with residual ZN or ZN1× "¯×ZNk symmetries, establishing an intriguing link between flavor symmetries, neutrino masses and dark matter.SCOPUS: ar.jinfo:eu-repo/semantics/publishe

Scalar triplet flavored leptogenesis: a systematic approach

Type-II seesaw is a simple scenario in which Majorana neutrino masses are generated by the exchange of a heavy scalar electroweak triplet. When endowed with additional heavy fields, such as right-handed neutrinos or extra triplets, it also provides a compelling framework for baryogenesis via leptogenesis. We derive in this context the full network of Boltzmann equations for studying leptogenesis in the flavored regime. To this end we determine the relations which hold among the chemical potentials of the various particle species in the thermal bath. This takes into account the standard model Yukawa interactions of both leptons and quarks as well as sphaleron processes which, depending on the temperature, may be classified as faster or slower than the Universe Hubble expansion. We find that when leptogenesis is enabled by the presence of an extra triplet, lepton flavor effects allow the production of the B-L asymmetry through lepton number conserving CP asymmetries. This scenario becomes dominant as soon as the triplets couple more to leptons than to standard model scalar doublets. In this case, the way the B-L asymmetry is created through flavor effects is novel: instead of invoking the effect of L-violating inverse decays faster than the Hubble rate, it involves the effect of L-violating inverse decays slower than the Hubble rate. We also analyze the more general situation where lepton number violating CP asymmetries are present and actively participate in the generation of the B-L asymmetry, pointing out that as long as L-violating triplet decays are still in thermal equilibrium when the triplet gauge scattering processes decouple, flavor effects can be striking, allowing to avoid all washout suppression effects from seesaw interactions. In this case the amount of B-L asymmetry produced is limited only by a universal gauge suppression effect, which nevertheless goes away for large triplet decay rates