Electroweak breaking and neutrino mass
- Autores: Cesar Manuel Bonilla Diaz
- Directores de la Tesis: José W. Furtado Valle (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Frank Deppisch (presid.), Maria Amparo Tórtola Baixauli (secret.), Filipe Joaquim (voc.)
- Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Física
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
En este trabajo de tesis hemos analizado algunas de las posibles conexiones entre la generación de la masa de los neutrinos y la nueva física. Para ello, como preámbulo, en el primer capítulo hemos hecho un repaso del Modelo Estándar (SM) de la física de partículas, siendo ésta la descripción más precisa que tenemos de las las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas. Sin embargo, existen algunas interrogantes a las que el SM no ofrece respuesta, por ejemplo, ¿Por qué hay tres familias de quarks y leptones?, ¿Cuál es la explicación a la jerarquía de las masas de los fermiones y a sus ángulos de mezcla?, ¿Cómo explicar la jerarquía entre la escala electrodébil y la escala de Planck?, etc. Sin embargo, los problemas más importantes a los que el SM no ofrece una explicación son: 1) la masa de los neutrinos, 2) la materia oscura (DM), 3) la asimetría entre la materia bariónica y anti-bariónica en el universo (BAU).
Dicho esto, resulta evidente la necesidad de ir más allá de la descripción estándar de la naturaleza, es decir, más allá del Modelo Estándar. Por lo tanto, esta tesis toma la física de neutrinos como el camino para resolver algunos de los problemas que, por construcción, el SM no ofrece una explicación. Por esta razón se han estudiado algunos de los mecanismos de generación de masa de los neutrinos y sus implicaciones.
La física de neutrinos se ha transformado en un campo muy activo, tanto desde el punto de vista experimental como del teórico, desde la confirmación experimental de que los neutrinos cambian de sabor a lo largo de su viaje. Es decir, que los neutrinos oscilan y por lo tanto son partículas masivas. Además, experimentos como LEP han establecido que solamente hay tres especies de neutrinos activos. Por otro lado, de los ajustes globales de los parámetros de oscilación, los ángulos de mezcla y las diferencias cuadradas de las masas entre los neutrinos están muy bien determinados.
Sin embargo, aun con toda la información que se tiene acerca de los los neutrinos y sus propiedades, existen algunos desafíos experimentales y teóricos. Por ejemplo, todavía no se ha podido determinar: i) el valor absoluto de la masa de los neutrinos; ii)¿cuál es la naturaleza de los neutrinos (si son partículas de Majorana o de Dirac)?; iii) la jerarquía de la masa de los neutrinos; iv) el valor de la fase de violación CP en el sector leptónico.
Uno de los experimentos que podrían proporcionar alguna pista de algunas de estas incógnitas es el experimento KATRIN, el cual espera examinar hasta la escala absoluta de la masa de los neutrinos ~0.2 eV mediante el estudio del decaimiento β del tritium. Otros experimentos están dedicados a medir el decaimiento doble beta sin neutrinos 0νββ. La importancia de este tipos de experimentos está en que, en el caso de observar 0νββ, confirmaría que los neutrinos son partículas de Majorana y a su vez proporcionaría algún indicio sobre la jerarquía de las masas. El año pasado el experimento KamLAND-Zen anunció sus resultados sobre 0νββ, pero ninguna señal ha sido observada. Lo único que obtuvimos de dicho experimentos es el límite más estricto para el decaimiento doble beta sin neutrinos, cuyas cotas están cerca de alcanzar la región característica donde la jerarquía de las masas es invertida. Del mismo modo, la colaboración de Planck (a partir de observaciones cosmológicas) ha puesto límites en la escala de la masa de los neutrinos y sus resultados desfavorecen fuertemente la posibilidad de que los neutrinos tengan un espectro de masa degenerado.
Respecto a la fase de violación CP en el sector leptónico, el experimento T2K ha reportado un valor de la fase de Dirac cercana al valor 3π/2. Dicho resultado proviene de cierta tensión que hay entre los experimentos de reactor y los de aceleradores. Por lo tanto, el principal objetivo de otros experimentos como DUNE es el de medir la fase de violación de CP.
Estos experimentos ponen de manifiesto el gran interés de la comunidad experimental en determinar algunas de las propiedades de los neutrinos. Desde el punto de vista teórico, el problema más interesante y que representa uno de los misterios más grandes de la física de partículas es el que respecta al origen de la masa de los neutrinos, el cual experimentalmente también resulta ser un gran reto.
Por lo tanto, en el trabajo de tesis hemos descrito en qué consiste y cuáles son los ingredientes necesarios para generar la masa de los neutrinos por medio de los mecanismos de seesaw. Una vez que sabemos cómo generar la masa de los neutrinos, inmediatamente, nos damos cuenta de que el hecho de que los neutrinos sean partículas con una masa tan pequeña, del orden de 0.1 eV, es necesario la existencia de nueva física. En particular, se requiere que existan nuevos grados de libertad o partículas, las cuales actúan como mediadores entre la escala de la nueva física y la escala electrodébil, 246 GeV.
El hecho que la masa de los neutrinos sea tan pequeña, comparada con el resto de las partículas de Modelo Estándar, puede deberse a que las nuevas partículas sean muy masivas. Si es el caso, la masa de los mediadores puede ser tan grande como la escala de gran unificación, por lo cual, probar su existencia resulta imposible para los experimentos actuales. La otra posibilidad de explicar la pequeñez de la masa de los neutrinos es que los parámetros de interacción necesarios para generar su masa sean extremadamente pequeños. De esta manera resulta que la masa de los mediadores podría estar a una escala cercana a la escala del rompimiento de la simetría electrodébil.
Sin embargo, en el caso que los parámetros pequeños sean aquellos de las interacciones de Yukawa, los posibles procesos donde se podría observar el impacto de dichos mediadores tienden a ser muy pequeños. Esta situación ocurre, por ejemplo, con los procesos de violación de sabor leptónico que involucran a los leptones cargados como μ→eγ. Por lo tanto, la posibilidad más interesante, la cual hemos estudiado, reside en los escenarios donde el parámetro ``naturalmente'' pequeño se encuentra en el sector escalar. A dichos mecanismos los conocemos como mecanismos seesaw de energía baja. Los cuales se caracterizan no sólo de tener una predicción para los procesos de violación de sabor leptónico sino también en que experimentos tales como el LHC podrían producir las nuevas partículas (ligeras) involucradas en la generación de la masa de los neutrinos.
Las características que hemos mencionado nos ayudan a hacer distinción entre la variedad de mecanismos de seesaw que existen. A nivel árbol existen solo tres tipos de seesaw:
- Seesaw tipo I, en este caso el SM se extiende añadiendo neutrinos derechos (RH), los cuales son singletes bajo la simetría SU(2); - Seesaw tipo II, aquí el mediador es un escalar Δ que transforma como triplete bajo la simetría SU(2) y tiene número leptónico; - Seesaw tipo III, en este escenario se requiere la presencia de triplete fermiónico Σ.
Esta clasificación es válida en el caso que los neutrinos sean partículas de Majorana. Sin embargo, no existe evidencia experimental que prohiba que los neutrinos sean partículas de Dirac. En este caso no sólo es necesario la introducción de nuevas partículas al SM si no también la existencia de una simetría G que no permita la aparición de términos de Majorana a ningún orden.
La predicción más relevante de los neutrinos de Dirac es la ausencia del decaimiento doble beta sin neutrinos. Sin embargo otro tipo te conexiones y predicciones son posibles. Por ejemplo, la simetría G podría estar relacionada a un grupo de simetría de sabor, de tal modo que es posible explicar porqué existen tres generaciones de leptones y de quarks,sus masas y los valores de los parámetros de mezcla en ambos sectores.
