Tests de la teoría efectiva del modelo estándar con neutrinos derechos en colisionadores

Abstract

Los neutrinos son partículas elementales muy abundantes en el Universo que se producen en los procesos radioactivos en estrellas, reactores nucleares y en la radioactividad natural en nuestro planeta. Interactúan muy poco con el resto de las partículas conocidas (sólo tienen interacciones débiles) y hasta hace poco se pensaba que no tenían masa. Desde los a˜nos 2000 sabemos que tienen masas muy pequeñas, cerca de diez órdenes de magnitud menores que la masa de los electrones, las siguientes partículas más livianas. La existencia de estas masas, cuyo descubrimiento a través del fenómeno de las oscilaciones de neutrinos dio lugar al Premio Nobel de Física de 2015, requiere ampliar el marco teórico del modelo estándar de la física de partículas para su comprensión, en particular incorporando los llamados neutrinos derechos, con masas de Majorana. Hay varias teorías que extienden el modelo estándar que podrían explicar el origen de las masas de los neutrinos, y sus consecuencias fenomenológicas pueden testearse en diversos experimentos. En esta tesis realizamos simulaciones num´ericas de alta precisi´on de las predicciones de la teor´ıa efectiva del modelo est´andar con neutrinos derechos (νSMEFT, por su sigla en ingl´es), que contrastaremos con las medidas experimentales que se est´an realizando en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC-CERN) en b´usquedas espec´ıficas de neutrinos de Majorana pesados suponiendo distintos canales de producci´on y decaimiento. Para valores de la masa del neutrino pesado entre 200 GeV y 15 TeV, el l´ımite observado para los acoplamientos de las interacciones efectivas se encuentra entre 5, 83×10−7 GeV−2 y 2, 33×10−6 GeV−2. Este resultado corresponde a la primera cota experimental para el espacio de par´ametros de la teor´ıa νSMEFT en el r´egimen agn´ostico obtenido mediante una reinterpretaci´on de una b´usqueda de neutrinos pesados en el LHC.

Neutrinos are among the most abundant particles in the Universe. They are produced in radioactive processes occurring in stars, nuclear reactors, and through the natural radioactivity of our planet. Because they interact only via the weak force, neutrinos are notoriously difficult to detect. Until recently, they were assumed to be massless. Since the 2000s, it has been established that neutrinos have nonzero masses, roughly ten orders of magnitude smaller than the electron mass, electrons being the next lightest particles. The existence of these masses, whose discovery through the phenomenon of neutrino oscillations led to the 2015 Nobel Prize in Physics, requires an extension of the theoretical framework of the Standard Model of particle physics, in particular through the incorporation of so-called right-handed neutrinos with Majorana masses. Several theories extending the Standard Model have been proposed to explain the origin of neutrino masses, and their phenomenological consequences can be tested in a variety of experiments. In this thesis, we perform high-precision numerical simulations within the Standard Model Effective Field Theory extended with right-handed neutrinos (νSMEFT). These predictions are compared with experimental measurements from the Large Hadron Collider (LHC-CERN), in dedicated searches for heavy Majorana neutrinos, considering different production and decay channels. For heavy-neutrino masses ranging from 200 GeV to 15 TeV, the observed limits on the effective couplings span from 5,83 × 10−7 GeV−2 to 2,33 × 10−6 GeV−2. These results provide the first experimental constraints on the parameter space of the νSMEFT framework in the agnostic regime obtained from a recast of an LHC heavy neutrino search.