Authors:	Dentler, Mona Inge
Title:	New Physics with Neutrinos
Online publication date:	26-Feb-2019
Year of first publication:	2019
Language:	english
Abstract:	Due to open problems in theory and unresolved anomalies in various oscillation experiments, neutrino physics appears to be an excellent starting point in the quest for physics beyond the Standard Model. The 3+1 framework featuring an additional, sterile neutrino mixing with the known neutrinos, is a minimalist extension of the Standard Model which can account for oscillation phenomenology beyond the standard three flavor paradigm. However, two orthogonal arguments militate against this model. First, the increasing amount of ambiguous experimental results makes a consistent interpretation of the data in the 3+1 framework appear unlikely. In this regard, global fits provide a useful tool to investigate this objection. This thesis reports on the results of an up-to-date global fit to all relevant, available datasets, including the data corresponding to the reactor antineutrino anomaly, the gallium anomaly and the short baseline anomaly. The reactor data as a special case can plausibly be explained by the hypothesis of a misprediction of the reactor antineutrino flux. Therefore, this hypothesis is tested against the 3+1 framework. Both hypotheses are found to be similarly likely, with a slight preference for the 3+1 framework, mainly driven by the data from DANSS and NEOS, which measure antineutrino spectra. However, a combination of both hypotheses fits the data best, with the hypothesis of a mere misprediction of the reactor flux rejected at $2.9 sigma$. Despite mild tensions, adding the remaining datasets in the $ parenbar nu_e$ disappearance channel increases the evidence for the 3+1 framework to $3.2 sigma$. This result is independent from any prediction on the reactor flux. Similarly, the data taken in the $parenbar nu_e$ appearance channel favor the 3+1 framework with a significance of up to $6.5 sigma$, depending on the LSND datasets included, although the goodness of fit is poor. These results are in strong contrast to the lack of evidence for the 3+1 framework in the $ parenbar nu_mu$ disappearance channel. Especially driven by the new results from IceCube and MINOS, this lack of evidence allows for rigorous constraints on the parameter space in the $ parenbar nu_mu$ disappearance channel. The combined fit to the global data proves that the different subsets are incompatible with each other at the $4.7sigma$ level. This tension is in particular driven by LSND and robust with regard to the choice of the fitted dataset and the underlying reactor flux model. The second objection to the 3+1 framework are the strong constraints on the effective number $N_text{eff}$ and the sum of masses $ sum m_nu$ of neutrino-like particles implied by different cosmological probes. These constraints are in conflict with the presence of an additional, sterile neutrino species in the early universe. However, if their production was prevented throughout the evolution of the universe, the constraints from cosmology would not apply for sterile neutrinos. The generation of sterile neutrinos can be suppressed by a new type of interaction, termed secret interaction''. Still, as this thesis confirms, the secret interaction model is disfavored in all of the viable parameter space. Therefore, inverse symmetry breaking, additional sterile neutrinos, additional free-streaming particles or neutrino decay are proposed as potential extensions of the secret interaction model. Aufgrund ungelöster Fragestellungen in der theoretischen Beschreibung und im Raume stehender Anomalien in diversen Oszillationsexperimenten erscheint die Neutrinophysik als exzellenter Ausgangspunkt für die Suche nach Physik jenseits des Standard Modells. Das 3+1 Modell, welches sich durch ein zusätzliches, steriles Neutrino auszeichnet, ist eine minimalistische Erweiterung des Standard Modells, die Oszillationsphänomenologie jenseits des standardmäßigen drei-Flavor Paradigmas Rechnung tragen kann. Gegen dieses Modell sprechen jedoch zwei diametrale Argumente. Erstens lässt die zunehmende Zahl an widersprüchlichen experimentellen Ergebnissen eine konsistente Erklärung der Daten im Rahmen des 3+1 Modells unwahrscheinlich wirken. Um diesen Einwand zu untersuchen erweisen sich in diesem Zusammenhang Globale Fits als ein nützliches Werkzeug. Die vorliegende Arbeit stellt die Ergebnisse eines auf dem neusten Stand befindlichen, globalen Fits an alle relevanten, verfügbaren Datensätze, einschließlich der Reaktor Anomalien, der Gallium Anomalien und der Short-Baseline Anomalien vor. Als Sonderfall können die Reaktor Anomalien auf plausible Weise durch die Hypothese einer falschen Vorhersage des Reaktor Antineutrinoflusses erklärt werden. Daher wird diese Hypothese gegen das 3+1 Modell getestet. Beide Hypothesen stellen sich als ähnlich wahrscheinlich heraus, mit einer leichten Präferenz für das 3+1 Modell, die sich vor allem in den Daten von DANSS und NEOS begründet, welche Antineutrinospektren messen. Am besten entspricht jedoch eine Kombination der beiden Hypothesen den Daten, wobei die Hypothese einer bloßen Falschvorhersage des Reaktorflusses mit $3.2 sigma$ abgelehnt wird. Dieses Ergebnis ist unabhängig von jeder Vorhersage des Reaktorflusses. Auf ähnliche Weise favorisieren die Daten im $ parenbar nu_e$ Appearance Channel das 3+1 Modell mit einer Signifikanz von bis zu $6.5 sigma$, abhängig davon, welcher LSND Datensatz berücksichtigt wird, wobei jedoch der Goodness-of-Fit-Wert gering ist. Diese Ergebnisse stehen in starken Gegensatz zu dem Mangel an Anzeichen für das 3+1 Modell im $ parenbar nu_mu$ Disappearance Channel. Der gemeinsame Fit an die globalen Daten belegt, dass die unterschiedlichen Teilmengen untereinander auf dem $4.7 sigma$ Niveau unvereinbar sind. Diese Spannung wird insbesondere von LSND hervorgerufen und ist robust bezüglich der Auswahl der gefitteden Datensätze sowie des zugrunde liegende Reaktorflussmodels. Den zweiten Einwand gegen das 3+1 Modell stellen die starken Beschränkungen der effektiven Zahl $N_text{eff}$ sowie der Summe der Massen $ sum m_nu$ von neutrinoartigen Teilchen dar, welche von verschieden kosmologischen Messobjekten impliziert werden. Diese Beschränkungen stehen im Konflikt mit dem Vorhandensein einer weiteren, sterilen Neutrinosspezies im frühen Universum. Würde allerdings deren Entstehung während der Entwicklung des Universums verhindert, würden die Beschränkungen aus der Kosmologie für sterile Neutrinos nicht gelten. Die Produktion von sterilen Neutrinos kann durch eine neue Art von Wechselwirkung, welche als Secret Interaction'' bezeichnet wird, unterdrückt werden. Das Secret Interaction Modell ist dennoch, wie die vorliegende Arbeit bestätigt, im gesamten Parameterraum abzulehnen. Aus diesem Grund werden inverse Symmetriebrechung, weitere sterile Neutrinos, zusätzliche, durch free-streaming'' charakterisierte Teilchen oder Neutrinozerfall als mögliche Erweiterungen des Secret Interaction Modells vorgeschlagen.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3034
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000026712
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xii, 133 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen