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Assessment of searches for long-lived heavy neutrinos decaying into photons
The Dimension-5 Seesaw Portal is a Type-I Seesaw model extended by d = 5 operators involving the sterile neutrino states, leading to new interactions between all neutrinos and the Standard Model neutral bosons. In this work we study the heavy neutrino pair production from Higgs decays, where the former are long-lived and disintegrate into a photon and a light neutrino. We probe this process by recasting two ATLAS searches for non-pointing photons, one at 8 TeV and the other at 13 TeV, showing the expected event distribution in terms of arrival time tγ and pointing variable |zγ |. Our results indicate that the 8 TeV search is not appropriate for our model, while the 13 TeV search, adapted for a VBF trigger, appears more promising.
Búsqueda de neutrinos pesados vía fotones fuera de tiempo en colisionadores
The Standard Model of Particle Physics (SM) is a theory that unites three of the fundamental interactions of nature into an elegant solution. It describes the properties and interactions of spin 1⁄2 fermions and integer spin bosons. These fermions are further divided into quarks and leptons. In the SM, neutrinos are considered massless particles but this characteristic was later disproved by oscillation experiments, showing they carry masses of up to 0.1eV. This means that the SM must be extended in order to provide masses to neutrinos. The Seesaw Mechanism is such an extension, allowing neutrino masses by introducing sterile, right handed, massive neutrinos. In this work we extend the Seesaw model by adding dimension 5 effective operators, which mediate the production and decay of long-lived heavy neutrinos N with masses in the GeV scale. We explore N production through exotic Higgs decays by way of a neutrino-Higgs effective operator. The heavy neutrino then decays into a SM neutrino and a photon via a dipole operator, whose partial width is calculated analytically. We considered two Higgs production processes: gluon fusion (GF) and vector boson fusion (VBF). We evaluate the possible detection of N through displaced photon searches in the ATLAS detector for 13 TeV collision energy, simulated in MadGraph. These searches employed time-delay and non-pointing variables, tγ and |∆zγ |, respectively. We found that for both GF and VBF processes most signal events belong to the background and control regions rather than the signal region, implying the search developed in this work is not sensitive to the model at hand.
Revisión teórica de física no-estándar para su introducción en oscilaciones de neutrinos
Esta tesis contiene al Trabajo de Investigación para Bachillerato presentado en [1], donde se incluyen los capítulos 1, 2 y 3. Estos han sido revisados y corregidos según correspondía. Los capítulos 4, 5 y 6 de este trabajo son contribuciones nuevas. Los neutrinos juegan un papel importante en nuestro entendimiento de la naturaleza y están siendo estudiados exhaustivamente en la actualidad. En particular, la solución de oscilaciones de neutrinos inducidas por masa está respaldada por contundente evidencia experimental, y presenta un excelente escenario para observar nuevas interacciones con materia. Como un punto de partida en la investigación en Física de Neutrinos, nuestro objetivo es revisar el formalismo de oscilaciones de neutrinos e Interacciones No-Estándar (NSI). Este trabajo propone la revisión de la descripción en Mecánica Cuántica de las oscilaciones de neutrinos, discutiendo las inconsistencias de las aproximaciones usuales y planteando una más precisa. El mecanismo de oscilaciones en materia también es estudiado con el propósito de derivar las ecuaciones diferenciales a resolver para la evolución de estados. Además, debido a que su masa puede causarlas, revisamos el marco comúnmente usado de Interacciones No-Estándar de neutrinos con materia y su introducción en las ecuaciones. Los efectos de NSI son considerados en la producción, detección y propagación de neutrinos, particularmente en el contexto de Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Para encontrar los estados evolucionados, se desarrolló un programa para resolver la ecuación de Schrödinger numéricamente. Los resultados fueron comparados con los datos existentes de un software de simulación de experimentos de neutrinos, permitiendo la validación de nuestras soluciones y, de la misma manera, la modificación apropiada del software. Los efectos de las Interacciones No-Estándar son presentadas de manera más evidentes.
Searches for heavy Majorana Neutrinos through the study of displaced vertices focused on Vector Boson Fusion processes at the LHC
The Standard Model (SM) is the theory that describes elementary particles and their fundamental interactions. In the Standard Model neutrinos are massless particles. Nevertheless, this has been proven wrong by neutrino oscillation experiments. Neutrinos possess mass, but several orders of magnitude below those of the other SM fermions. This invites the consideration of new physics, beyond that described by the SM, that could explain the smallness of neutrino mass. This is achieved, in particular, in the Type-1 Seesaw model, which is the focus of this work. Neutrinos are especially difficult to detect in colliders, since they are chargeless, they leave no tracks, and no energy in the calorimeters. However, if massive enough, these new neutrinos can decay into charged particles inside the collider, which results in tracks with displaced vertices. A complete analysis of this processes is required in order to characterize the parameters of these new particles. In this work we use the MonteCarlo simulation program MadGraph to study the relevant processes that involve these neutrinos. The principal objective of this work is to define the probability to observe the heavy neutrinos as Higgs decay products in the LHC (and HL-LHC), when they have been produced via vector boson fusion (VBF) and are in the section of parameter space useful for displaced vertices.
Simulación de fábricas de neutrinos
Una serie de experimentos con neutrinos ha establecido que estos tienen masa, existiendo una mezcla entre sus autoestados de sabor. La mezcla genera una oscilación entre estos autoestados durante la propagación de los neutrinos, descrita por una serie de parámetros y por la diferencia cuadrada de las masas. La propuesta con mayor sensibilidad en la medición de los parámetros de oscilación radica en futuras instalaciones llamadas "fábricas de neutrinos". Estas producirán un alto flujo de neutrinos a partir del decaimiento del muón, siendo capaces de medir una gran variedad de canales de oscilación.