Massive Neutrinos: Phenomenological and Cosmological Consequences

• Main Author: Yuber Ferney Perez Gonzalez
• Other Authors: Renata Zukanovich Funchal
• Language: English
• Published: Universidade de São Paulo 2017
• Subjects: Física de neutrinos; Fundo cósmico de neutrinos; Matéria Escura; Neutrinos de Dirac e Majorana; Cosmic Neutrino Background; Dark Matter; Dirac and Majorana neutrinos; Neutrino Physics
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/43/43134/tde-14122017-162727/

The XX century witnessed the quantum and relativistic revolutions in physics. The development of these two theories, namely, Quantum Mechanics and Relativity, was the inception of many crucial discoveries and technological advances. Among them, one stands out due to its uniqueness, the neutrino discovery. However, several neutrino properties are still obscure. Neutrinos are the only fundamental particles whose nature is currently unknown. Such fermions can either be different from their antiparticles, i.e., Dirac fermions, or be their own antiparticles, that is, Majorana fermions. On the other hand, the smallness of neutrino masses is a problem seemingly related to the neutrino nature; thus, as essential task consists in addressing the phenomenologically viable models in both cases. Furthermore, it is important to search for other physical process in which the neutrino nature may manifest through different experimental signatures. A rather difficult but promising method corresponds to the detection of the cosmic neutrino background, viz. neutrinos which are relics from the Big Bang. Previous works have shown that detection rates for Dirac and Majorana neutrinos can give different results. Nevertheless, this distinction was obtained considering the Standard Model framework only. Therefore, it is important to understand the consequences of having Non-Standard Interactions contributing to the detection of neutrinos from the cosmic background. Another remarkable relic predicted by Cosmology is the unidentified Dark Matter, composing ~25% of the Universe. All searches regarding the Weakly Interacting Massive Particle, one of the principal candidates for Dark Matter, have given negative results; this has compelled experiments to increase their sensitivity. Notwithstanding, neutrinos may stand in the way of such experimental searches given that they may constitute an irreducible background. In this thesis, we will address these three different phenomena, neutrino mass models, detection of the cosmic neutrino background and the neutrino background in Dark Matter searches, by considering the different characteristics in each case. In the study of neutrino mass models, we will consider models for both Majorana and Dirac neutrinos; specifically, we will probe the neutrinophilic two-Higgs-doublet model. Regarding the detection of relic neutrinos, we will analyse the consequences of the existence of the beyond Standard Model physics in the capture rate by tritium. Finally, we will scrutinize the impact of neutrinos in Direct Detection WIMP searches, by considering Standard Model plus additional interactions in the form of simplified models. === Ao longo do século XX testemunhamos as revoluções quântica e relativista que aconteceram na Física. O desenvolvimento da Mecânica quântica e da teoria da relatividade foi o prelúdio de inúmeras descobertas e avanços tecnológicos fundamentais; em particular, a descoberta dos neutrinos. No entanto, a sua total compreensão ainda é um mistério para a física de partículas. Entendidos como partículas fermiônicas fundamentais, os neutrinos possuem sua natureza desconhecida. Podendo ser diferentes de suas antipartículas, denominadas férmions de Dirac, ou também podendo ser as suas próprias antipartícula, sendo conhecidas como férmions de Majorana. Por outro lado, o valor de sua massa continua sendo um problema em aberto, supostamente relacionado à sua natureza. Portanto, é importante estudarmos modelos fenomenológicos viáveis para as duas naturezas possíves dos neutrinos. Além disso, é necessário procurar outros processos físicos cujos resultados experimentais sejam distintos de acordo com a natureza do neutrino. Um método bastante difícil, mas promissor, corresponde à detecção do fundo de neutrinos cósmicos, isto é, os neutrinos relíquia do Big Bang. Análises prévias mostraram que as taxas de detecção para neutrinos de Dirac e de Majorana resultam em valores distintos. Porém, este resultado foi obtido supondo como base o Modelo Padrão; assim, é crucial entender as possíveis consequências da existência de interações desconhecidas na detecção dos neutrinos da radiação cósmica de fundo. Outra relíquia notável prevista pela Cosmologia é a desconhecida Matéria Escura, que compõe ~25% do Universo. Todas as buscas por WIMPs (do inglês Weakly Interactive Massive Particles), um dos principais candidatos a Matéria Escura, tem dado resultados negativos. Isto tem forçado a criação de experimentos cada vez mais sensíveis. Contudo, os neutrinos poderão ser um obstáculo nessas buscas experimentais, pois estes convertir-se-ão em um fundo irredutível. Na presente tese, abordaremos estes três fenômenos diferentes, modelos de massa para os neutrinos, a detecção do fundo de neutrinos cósmicos e o fundo de neutrinos em experimentos de detecção direta de Matéria Escura, considerando as distintas características em cada caso. No estudo dos modelos de massa para os neutrinos consideraremos modelos para neutrinos de Majorana e Dirac; exploraremos modelos neutrinofílicos com dois dubletos de Higgs. Enquanto à detecção dos neutrinos relíquia, analisaremos as consequências da presença de física além do Modelo Padrão na taxa de captura pelo trítio. Finalmente, examinaremos o impacto dos neutrinos em experimentos de detecção direta de WIMPs, supondo as interações do Modelo Padrão junto com interações adicionais na forma de modelos simplificados.