CP Violation in future neutrino oscillation facilities

Resumen

Los espectaculares resultados obtenidos en experimentos de neutrinos atmosféricos, neutrinos solares, neutrinos de reactores y en experimentos de aceleradores pueden ser comprendidos en el marco de tres familias leptónicas, con neutrinos masivos y mezclas entre las tres familias. De tal modo, el sector leptónico de Modelo Standard (MS) es similar al de los quarks y aparecen una serie de parámetros físicos nuevos que pueden y deben ser neutrinos, mi ( i = 1,2,3), tres ángulos de mezcla, tij( i,j =1, 2,3) y una fase de violación de CP, d. De todos modos estos nuevos parámetros, los experimentos actuales han determinado solamente dos diferencias de cuadrados de masa y dos ángulos de mezcla: |m23| = 2.5·10-3 e V2 y t23 =45º, que controlan las oscilaciones atmosféricas, y |m12| =8·10-5 e V2 y t12 =33º, que controlan las solares. El tercer ángulo t 13, así como la fase de violación de CP sigue indeterminados. La medida de estos parámetros requiere experimentos de oscilaciones de neutrinos de alta precisión. Actualmente se está trabajando en el diseño de futuros experimentos que incrementen la sensitividad a t13 y d: Neutrito Factories (haces de neutrinos de la desintegración de muones). Superbeams (haces de neutrinos convencionales pero muy intensos), Betabeams (neutrinos procedentes de la desintegración de iones). Todos los experimentos mencionados se enfrentarán a un problema fundamental que limita el alcance de cada experimento individualmente: el problema de las degeneraciones entre parámetros; t13 y d tienen que ser medidos simultáneamente y otros parámetros solo se conocen con una cierta precisión. De resultas, falsas soluciones (degeneraciones) se obtendrán del análisis de datos junto con los verdaderos valores que los parámetros toman en la naturaleza, ensuciando o incluso imposibilitando los resultados científicos. En esta tesis doctoral se ha estudiado el problema de las degeneraciones entre parámetros y se han identificado estrategias para paliar su efecto negativo en la precisión de las medidas. Así, se ha expuesto la importancia de la resolución en energía de los experimentos para resolver las degeneraciones. También se ha estudiado la utilidad de combinar los diferentes canales de oscilación en un experimento dado, viendo en concreto que el canal de desaparición de neutrinos mu, que no se consideraba útil para este tipo de medidas, puede resultar de gran ayuda a la hora de resolver las degeneraciones que aparecen en los otros canales, más sensibles a los parámetros desconocidos. También se ha estudiado qué combinaciones de experimentos son más efectivas para resolver degeneraciones. Finalmente se expone la sensibilidad alcanzable por los diferentes experimentos propuestos y por combinaciones de los mismos a los parámetros físicos que se pretenden medir. En otra línea de trabajo se ha estudiado la posibilidad de que la matriz de mezcla, tij (i,j= 1,2,3). Las posibles desviaciones de la unitariedad de la matriz de mezcla son una consecuencia general de una clase de modelos que intentan explicar la masa de los neutrinos. El análisis de los datos actuales ha revelado que la matriz de mezcla es compatible con la asunción de unitariedad, sin embargo las cotas que pueden ponerse sobre los elementos de matriz empeoran al relajar dicha asunción. Se ha estudiado por tanto como futuros experimentos podrán mejorar estas cotas y eventualmente descubrir desviaciones de la unitariedad, lo que implicaría física más allá del MS. Los artículos a los que ha dado lugar el trabajo de esta tesis doctoral han influido notablemente en la comunidad, formando parte del estudio internacional ISS que pretende decidir la combinación óptima de futuros experimentos para medir los parámetros aún desconocidos.