Tesis doctoral de Avelino Vicente Montesinos
Introducción el histórico descubrimiento de las oscilaciones del neutrino [1-5], que condujo al premio nobel de 2002, marca un momento crucial en la física de partículas y nuclear e implica que los neutrinos tienen masa. Hoy en día hay un activo campo de trabajo que trata las interdependencias entre estas disciplinas en las que el neutrino juega el papel central: la física de astropartículas. gracias a la precisión adquirida por los experimentos más modernos ha sido posible determinar los valores de los parámetros que intervienen en las oscilaciones de sabor observadas en diversos escenarios [6], obteniéndose una concordancia total y conduciendo a la aceptación del mecanismo oscilatorio como el causante del fenómeno. Por ello, dado que el modelo estándar de la física de partículas no las incluye, es necesario ampliar nuestros horizontes, yendo más allá de la física establecida para explicar el origen de las masas de los neutrinos. por otro lado, el modelo estándar presenta también ciertos problemas teóricos que nos hacen pensar que es una teoría incompleta. En particular, la sensibilidad de la masa del bosón de higgs a la existencia de partículas pesadas requiere un ajuste muy fino para que dicha partícula se encuentre a la escala electrodébil. Este problema de naturalidad se conoce como «problema de la jerarquía». Muchas ideas han sido desarrolladas con el objetivo de solucionar este y otros defectos del modelo estándar. La más popular de ellas, supersimetría [7], proporciona una solución al problema de la jerarquía, al tiempo que cuenta con los elementos necesarios para acomodar nueva física. En el caso del sector leptónico, una simetría discreta, llamada paridad r [8] y definida como rp = (-1)^[3(b-l)+2s], con b y l los números bariónico y leptónico y s el espín de la partícula, juega un papel determinante. Tanto el origen de esta simetría como su conexión con la generación de masa de los neutrinos son temas que merecen ser investigados en profundidad. finalmente, no debemos olvidar que estamos viviendo un momento de gran expectación en la física de partículas. La reciente puesta en marcha del lhc [9] provocará en breve la llegada de abundantes datos experimentales, entre los que se encontrará codificada una muy valiosa información sobre los componentes fundamentales de la naturaleza. Es nuestro deber estar preparados para clasificar, analizar e interpretar esta información, con el objetivo de aprender el máximo posible y así ampliar los horizontes de la física. en conclusión, la investigación realizada en esta tesis doctoral tiene como objetivo la caracterización de la masa del neutrino en teorías supersimétricas, tanto en modelos a baja como alta escala, y el estudio de la fenomenología resultante en colisionadores (como el lhc [9] o un futuro ilc [10,11]), física de astropartículas y cosmología [12-14]. tema la presente tesis puede dividirse en dos líneas de investigación íntimamente ligadas entre sí. Por un lado, se ha estudiado la fenomenología de modelos supersimétricos de masa de neutrinos con violación de paridad r. Este tipo de teorías presenta una fenomenología muy rica en los experimentos presentes o del futuro próximo. Por lo tanto, el estudio de las señales experimentales previstas es fundamental para entender la conexión entre la teoría subyacente y los datos obtenidos por las colaboraciones experimentales. Por otro lado, se ha abordado también la situación opuesta. Si paridad r se conserva, la masa de los neutrinos debe generarse de otro modo. Esto nos ha llevado a estudiar cuál es el posible origen de dicha simetría discreta y qué implicaciones hay a bajas energías. En concreto, las teorías supersimétricas con simetría left-right ofrecen un marco ideal para ello, pues pueden dar lugar a conservación de paridad r e incorporan el mecanismo seesaw para generar la masa de los neutrinos. como puede verse, la conexión entre estos dos temas es el papel de la paridad r y su repercusión en la masa de los neutrinos. A continuación describimos las ideas principales en las dos áreas exploradas durante el desarrollo de la tesis. violación de paridad r diversos investigadores han considerado la posibilidad de generar la masa del neutrino a escalas bajas, accesibles a los experimentos de los próximos años. La literatura científica es rica en alternativas. Por ejemplo, varios trabajos han estudiado la generación de masa del neutrino a través de la violación de paridad r en teorías supersimétricas. Sirvan las referencias [15-18] como ejemplos recientes de tales estudios. La rica fenomenología de dichos modelos hace que sean muy interesantes por su posible aparición en los experimentos a realizarse en el lhc. El doctorando cuenta con experiencia en dichas ideas, tal y como se muestra en sus trabajos publicados [19-21]. la gran ventaja de los modelos de masa de neutrinos con violación de paridad r es que son una de las pocas excepciones en las que es posible explorar la teoría en el lhc. A diferencia de otros mecanismos, la violación de paridad r se da a la escala electrodébil, por lo que da lugar a señales visibles en los experimentos que se van a desarrollar en los años venideros. el doctorando cuenta con tres trabajos publicados en este tema. En los dos primeros la investigación se centró en un modelo en que la violación de paridad r se da de forma espontánea. Esta idea, originalmente presentada en [22] y posteriormente modificada hasta su presente forma en [23,24], supone una mejora teórica respecto a los modelos mínimos, pudiendo explicar algunas de sus características menos satisfactorias. Además, la rotura espontánea de número leptónico da lugar a un bosón de goldstone, el llamado majorón [25], lo que da lugar a una fenomenología con interesantes novedades. por otro lado, en [28] se estudió la fenomenología de un modelo [26] que supone una ligera pero importante variación respecto al estudiado previamente. En él, la rotura de la paridad r se da de forma explícita, lo que evita la aparición del bosón de goldstone asociado a la rotura espontánea. Este detalle tiene importantes repercusiones en la fenomenología, la cual, pese a tener ciertos elementos comunes con los estudios previos, cuenta con algunas novedades reseñables. conservación de paridad r si paridad r es una simetría conservada uno debe dar respuesta a dos cuestiones fundamentales: (1) cuál es el modo en que se genera la masa de los neutrinos, y (2) cuál es el origen de paridad r. de las distintos mecanismos de generación de masa de neutrinos existentes cabe mencionar especialmente el famoso mecanismo seesaw [27-31]. La idea en este caso consiste en explicar la pequeña masa de los neutrinos gracias a la introducción de partículas muy pesadas en la teoría. Cuanto mayor es la masa de las nuevas partículas más pequeña es la masa de los neutrinos conocidos, lo que además de dar una explicación natural a dicha pequeñez sirve para conectar estos modelos con la escala de gran unificación. sin embargo resulta muy difícil, si no imposible, someter el mecanismo seesaw al juicio experimental. La razón está en el propio corazón de la idea. La existencia de partículas muy masivas es una posibilidad muy natural para explicar la masa de los neutrinos, pero al mismo tiempo impide que los aceleradores de partículas actuales puedan fabricarlas para su posterior estudio. no obstante, ciertos trabajos recientes [32-35] han señalado que en determinados escenarios supersimétricos es posible obtener señales indirectas que conecten el mecanismo de seesaw con observables de colisionador a la escala electrodébil. Ejemplos de ello son relaciones entre masas de superpartículas o cocientes de desintegración de sleptones, cantidades medibles en el inminente lhc, que pueden abrir una ventana hacia la alta escala de energías a la que se da el mecanismo seesaw. la existencia de dicha conexión se debe a las ecuaciones del grupo de renormalización (renormalization group equations, rge) de la teoría. Cuando la teoría subyacente es supersimétrica y contiene el mecanismo de seesaw las rge provocan que la mezcla en el sector de neutrinos se traduzca en la existencia de parámetros soft con violación de sabor leptónico en el sector de sleptones [36]. Este efecto tiene consecuencias observables en experimentos presentes como meg [37]. en la presente tesis se ha seguido la idea anterior estudiando su aplicación en modelos seesaw no mínimos, ligando la generación de masa de los neutrinos con la obtención de paridad r a bajas energías. paridad r es una simetría discreta que se impone habitualmente para prohibir ciertas interacciones con efectos peligrosos para la fenomenología resultante. De hecho, no hay duda alguna respecto a la utilidad práctica de paridad r, que también se encarga de proporcionar candidatos a materia oscura del universo. No obstante, esto se hace «a mano», sin dar una justificación teórica. en esta tesis se ha investigado el origen de paridad r y su conexión con teorías supersimétricas «left-right» [38,39]. Estas teorías cuentan con una motivación más allá de paridad r. De hecho, fueron inventadas a finales de los 70 como una extensión del modelo estándar que restaura la simetría paridad a altas energías. El grupo de gauge se extiende a su(3)_c x su(2)_l x su(2)_r x u(1)_(b-l) y por lo tanto conserva paridad r automáticamente, debido a la inclusión de la pieza u(1)_(b-l). puesto que la conservación de paridad r en el modelo msusylr (minimal susy left-right) es un asunto controvertido [40], el trabajo desarrollado en esta tesis se ha llevado a cabo en un modelo no mínimo [41,42] en el que ha sido demostrada la existencia de mínimos del potencial escalar con conservación de paridad r. el resultado de este trabajo se publicó recientemente [43]. objetivos el objetivo es común en ambos proyectos: caracterizar la generación de masa de los neutrinos y estudiar las señales a las que da lugar en experimentos presentes o futuros. en el caso de violación de paridad r es bien conocida la existencia de claras correlaciones entre la física de neutrinos y las desintegraciones de la lsp (lightest supersymmetric particle). En esta tesis se ha investigado dicha correlación en profundidad en diferentes modelos y para diferentes tipos de lsp. también se ha abordado el interesante problema de las desintegraciones invisibles. Si la violación de paridad r se da de forma espontánea, la rotura del número leptónico da lugar a un bosón de goldstone, llamado majorón, indetectable en nuestros experimentos. En el presente trabajo se han caracterizado por primera vez las regiones del espacio de parámetros en que las desintegraciones de la lsp involucran majorones. Del mismo modo, y en conexión con el estudio anterior, se ha calculado en detalle la desintegración ¿ -> e j. Esta señal de experimento de bajas energías es complementaria a las que pueden dar los aceleradores. si la violación no es espontánea no aparece ningún majorón en el espectro. éste es el caso del ¿¿ssm, un modelo recientemente propuesto para explicar la masa de los neutrinos de una forma sencilla. En la presente tesis se ha realizado un profundo estudio de la fenomenología del modelo, encontrando numerosas señales no estándar. por otro lado, en el caso de conservación de paridad r, las desintegraciones de sleptones con violación de sabor suponen un elemento muy prometedor, tanto por las predicciones numéricas que pueden realizarse como por su utilidad para distinguir entre diferentes versiones del mecanismo seesaw. en particular, y dado que el modelo estudiado tiene una simetría left-right, se ha investigado la novedosa posibilidad de obtener violación de sabor leptónico en el sector «right», algo que jamás se da en los modelos seesaw mínimos. De este modo, al mismo tiempo que se enlaza la masa de los neutrinos con la física de colisionador, se obtiene información muy relevante sobre la estructura de la teoría a escalas muy altas. metodología el trabajo realizado ha sido una combinación de cálculo analítico y numérico. los modelos abordados durante la presente tesis han sido analizados con la ayuda de códigos simbólicos, la mayoría de ellos desarrollados por el doctorando especialmente para estos proyectos. También se ha hecho uso de algunos códigos desarrollados por la comunidad científica. En particular, el uso del paquete sarah [44] ha sido de gran utilidad, especialmente en el desarrollo del proyecto con conservación de paridad r. del mismo modo, los procesos estudiados han sido calculados de forma analítica, en ocasiones con ayuda de aproximaciones cuya validez ha sido comprobada. De este modo, se consigue una comprensión global de unos resultados numéricos difícilmente asimilables sin la ayuda de resultados analíticos. finalmente, se han realizado cálculos numéricos exactos para dar consistencia a las predicciones realizadas. Para ello se ha empleado el código fortran spheno [45], el cual ha sido extendido para incorporar los modelos tratados. bibliografía [1] s. Fukuda et al. [Super-kamiokande collaboration], ‘determination of solar neutrino oscillation parameters using 1496 days of super-kamiokande-i data’, phys. Lett. B 539 (2002) 179 [hep-ex/0205075]. [2] q. R. Ahmad et al. [Sno collaboration], ‘direct evidence for neutrino flavor transformation from neutral-current interactions in the sudbury neutrino observatory», phys. Rev. Lett. 89, 011301 (2002) [nucl-ex/0204008]. [3] t. Araki et al. [Kamland collaboration], ‘measurement of neutrino oscillation with kamland: evidence of spectral distortion’, phys. Rev. Lett. 94, 081801 (2005) [hep-ex/0406035]. [4] t. 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[12] g.Mangano, g. Miele, s. Pastor, t. Pinto, o. Pisanti y p. D. Serpico, ‘effects of non-standard neutrino electron interactions on relic neutrino decoupling’, [hep-ph/0607267]. [13] s.Pastor, ‘neutrino masses and cosmology,’ pos hep2005, 165 (2006). [14] m. Hirsch, j. W. F. Valle, m. Malinsky, j. C. Romao y u. Sarkar, ‘thermal leptogenesis in extended supersymmetric seesaw’, hep-ph/0608006. [15] m. Hirsch, j. C. Romao, j. W. F. Valle y a. Villanova del moral, ‘invisible higgs boson decays in spontaneously broken r parity’, phys. Rev. D 70, 073012 (2004). [16] m. Hirsch y w. Porod, ‘invisible neutralino decays from spontaneous r-parity violation’, phys. Rev. D 74, 055003 (2006). [17] f. De campos, m. A. Diaz, o. J. P. Eboli, m. B. Magro, w. Porod y s. Skadhauge, ‘lhc signals for neutrino mass model in bilinear r-parity violating mamsb’, phys. Rev. D 77, 115025 (2008). [18] w. Porod, m. Hirsch, j. C. Romao y j. W. F. 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[33] m. Hirsch, w. Porod, j. C. Romao, j. W. F. Valle y a. Villanova del moral, ‘probing minimal supergravity in the type-i seesaw mechanism with lepton flavor violation at the cern lhc’, phys. Rev. D 78, 013006 (2008). [34] m. Hirsch, s. Kaneko y w. Porod, ‘supersymmetric seesaw type. Ii. Lhc and lepton flavour violating phenomenology,’ phys. Rev. D 78, 093004 (2008). [35] j. N. Esteves, m. Hirsch, w. Porod, j. C. Romao, j. W. F. Valle y a. Villanova del moral, ‘flavour violation at the lhc: type-i versus type-ii seesaw in minimal supergravity’, jhep 0905, 003 (2009). [36] f. Borzumati y a. Masiero, ‘large muon and electron number violations in supergravity theories’, phys. Rev. Lett 57, 961 (1986). [37] página web del experimento meg: http://meg.Icepp.S.U-tokyo.Ac.Jp/ [38] las referencias pioneras sobre modelos «left-right» son r. N. Mohapatra y j. C. Pati, ‘a natural left-right symmetry’, phys. Rev. D 11, 2558 (1975) y g. Senjanovic y r. N. 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Porod, ‘spheno, a program for calculating supersymmetric spectra, susy particle decays and susy particle production at e+ e- colliders’, comput. Phys. Commun. 153, 275 (2003).
Datos académicos de la tesis doctoral «Phenomenology of supersymmetric neutrino mass models«
- Título de la tesis: Phenomenology of supersymmetric neutrino mass models
- Autor: Avelino Vicente Montesinos
- Universidad: Universitat de valéncia (estudi general)
- Fecha de lectura de la tesis: 04/03/2011
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Martin Hirsch
- Tribunal
- Presidente del tribunal: arcadi Santamaria luna
- heinrich Pí¤s (vocal)
- Andrea Romanino (vocal)
- Carlos Muñoz lópez (vocal)