Supernova neutrino trigger and heavy neutral lepton sensitivity in the DUNE experiment

• Autores: Pablo Samuel Barham Alzas
• Directores de la Tesis: Clara Cuesta Soria (codir. tes.), Albert de Roeck (codir. tes.), Juan Terrón Cuadrado (tut. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 306
• Tribunal Calificador de la Tesis: Justo Martín-Albo Simón (presid.), Elías López Asamar (secret.), Laura Paulucci Marinho (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Física Teórica
• Menciones:
  • Internacional
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • Los neutrinos son las partículas de materia más abundantes del universo y, por su extrema ligereza y débil interacción, siguen siendo los constituyentes menos comprendidos del Modelo Estándar. Persisten cuestiones fundamentales -la escala absoluta y el orden de masas, y la posible violación de CP en leptones- y la pequeñez de sus masas apunta a nueva física (BSM), con estados estériles y mecanismos de generación de masa alternativos. El Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) afrontará estas preguntas con un programa de oscilaciones de gran distancia que combina un haz de alta intensidad, un complejo de detectores cercanos multipropósito y cuatro LArTPC como detectores lejanos. Esta tesis estudia las capacidades de DUNE en dos frentes: (i) la detección de neutrinos de supernova de colapso del núcleo (CCSN) en el detector lejano, y (ii) la búsqueda de leptones neutros pesados (HNLs) en el detector cercano. Para CCSN, desarrollo el primer algoritmo de trigger de supernova del sistema de detección de fotones (PDS) de DUNE en la Fase I, con una cadena extremo a extremo desde la generación de eventos hasta la reconstrucción y el análisis. Efectúo una simulación completa del detector para ambas tecnologías (Horizontal Drift (HD) y Vertical Drift (VD)) que incluye fondos radiológicos y de supernova, la propagación de luz en argón líquido, la respuesta de los sensores X-ARAPUCA y la digitalización. Caracterizo en detalle la señal óptica y presento el primer estudio profundo del impacto del fondo radiológico en el PDS. Como soporte imprescindible, mejoro el modelizado de interacciones a baja energía (<100 MeV) con argón en MARLEY, el generador estándar de LAr. Introduzco dos avances: la restauración de términos con dependencia en el momento para transiciones nucleares discretas y un nuevo modelo CRPA para transiciones al continuo no ligado; evalúo sus efectos en escenarios representativos. Además, implemento por primera vez una versión diferenciable del modelo de desexcitación nuclear de Hauser-Feshbach, que abre la puerta a ajustar parámetros nucleares por gradiente dentro de MARLEY. Integrando generador y detector, cartografío la sensibilidad de DUNE a CCSN en la Vía Láctea con modelos de emisión de referencia. El algoritmo de trigger agrupa los hits ópticos por X-ARAPUCA, los clasifica con técnicas de aprendizaje automático y contrasta estadísticamente con el fondo; los parámetros de agrupamiento se optimizan para la eficiencia. Los resultados muestran que el PDS es sensible a supernovas de núcleo de hierro en toda la galaxia (hasta 20 kpc), mientras que para observar supernovas de captura electrónica más allá de 12 kpc en VD es necesaria reducción adicional de fondos. Estas conclusiones orientan la optimización de la Fase I y el diseño de la Fase II (previsiblemente basada en VD) y proporciono una evaluación global de la sensibilidad de DUNE a CCSN en la Vía Láctea. La segunda parte aborda los HNLs, fermiones singlete pesados que surgen en múltiples extensiones del Modelo Estándar, pueden generar las masas de los neutrinos activos y contribuir a la bariogénesis. Desarrollo un enfoque fenomenológico actualizado para estimar la sensibilidad de DUNE a HNLs en las Fases I y II, con flujos refinados de señal y fondo y una respuesta parametrizada según el complejo cercano. Obtengo contornos de mezcla de un sabor y comparo: DUNE lidera el canal de neutrino muónico cerca del pico del kaón. En conjunto, el trabajo prepara a DUNE para la astrofísica de baja energía con una estrategia de trigger y mejor modelizado, y refuerza su programa BSM con proyecciones de HNLs.