Simulación de interacciones de neutrinos de Majorana en colisionadores de partículas

El Modelo Estándar de la física de partículas es la teoría que describe el comportamiento de las partículas elementales y sus interacciones. A pesar de las exitosas predicciones que esta teoría permite realizar, también encuentra ciertas limitaciones. Se puede considerar entonces al Modelo Estándar como el límite de baja energía de una teoría de campos con nueva física accesible a escalas de energía mucho mayores a las alcanzables en los experimentos existentes. 

En especial, las oscilaciones de neutrinos, cuyo descubrimiento dio lugar al premio Nobel de física de 2015, evidenciaron la necesidad de extender el Modelo Estándar de la física de partículas para obtener neutrinos masivos. Una manera de hacerlo, es incorporando lo que se conoce como neutrinos derechos estériles, de esta manera, a través del mecanismo seesaw (subibaja) se obtienen estados de Majorana masivos livianos (los conocidos) y pesados
(los neutrinos de Majorana pesados).
La nueva física, existente a escalas de energía mayores, podría mediar nuevas interacciones entre los neutrinos de Majorana pesados y las partículas del Modelo Estándar. Se podría detectar evidencia de esta nueva física si los neutrinos pesados tuvieran masas en la escala electrodébil y se pudieran producir en colisionadores de partículas. Una forma de parametrizar las nuevas interacciones introducidas es con una teoría de campos efectiva que incluye a los neutrinos pesados como grados de libertad accesibles (conocida como νSMEFT). En este enfoque, los nuevos términos de interacción son válidos únicamente en cierto rango de energías, menores a la escala de nueva física.
En esta tesis estudiamos la fenomenología de la extensión νSMEFT a través de la realización de simulaciones de experimentos en colisionadores de partículas. Estudiamos la producción de neutrinos de Majorana pesados en los colisionadores futuros ILC (International Linear Collider, del tipo electrón-positrón) y LHeC (Large Hadron-electron Collider, del tipo electrón-protón). De esta manera, buscamos posibles procesos físicos que, de ser observados, evidenciarían la existencia de los neutrinos de Majorana pesados o permitirían acotar los parámetros de la teoría. Finalmente, obtuvimos regiones del espacio de parámetros de la extensión efectiva en las que las predicciones para estos experimentos se apartan de las del Modelo Estándar lo suficiente como para ser observadas.

The Standard Model of particle physics is the theory that describes the behavior of elementary particles and their interactions. Despite its successful predictions, this theory also encounters certain limitations. The Standard Model can then be considered the low-energy limit of a field theory with new physics accessible at energy scales much larger than those achievable in existing experiments.
In particular, neutrino oscillations, whose discovery led to the 2015 Nobel Prize in physics, evidenced the need to extend the Standard Model of particle physics to obtain massive neutrinos. One way to do this is by incorporating what are known as sterile right-handed neutrinos. Then, through the seesaw mechanism, one can obtain light and heavy Majorana neutrino massive states.
The new physics existing at higher energy scales could mediate new interactions between heavy Majorana neutrinos and Standard Model particles. Evidence of this new physics could be detected if heavy neutrinos had masses in the electroweak scale and could be produced in particle colliders. One way to parameterize the new introduced interactions is with an effective field theory that includes heavy neutrinos as accessible degrees of freedom (known as νSMEFT). In this approach, the new interaction terms are valid only in a certain range of energies, lower than the new physics scale.
In this thesis we study the phenomenology of the νSMEFT extension through simulations of experiments in particle colliders. We study the production of heavy Majorana neutrinos in the future colliders ILC (International Linear Collider, electron-positron type) and LHeC (Large Hadron-electron Collider, electron-proton type). In this way, we look for possible physical processes that, if observed, would evidence the existence of heavy Majorana neutrinos or instead would allow us to put bounds on the parameters of the theory. Finally, we obtained regions of the parameter space of the effective extension in which the predictions for these experiments deviate enough from those of the Standard Model as to be observed.