Energy-independent contribution to the flavour ratios of high-energy astrophysical neutrinos

Abstract

We explore the possibility that CPT symmetry is broken in the neutrino sector at a high enough energy, using for this the high-energy neutrino flux that is expected to come from distant astrophysical sources such as active galaxies and gamma-ray bursts. CPT violation (CPTV) can affect neutrino oscillations either by modifying the oscillation length or its amplitude. We show that when only the oscillation length is affected, such as when CPTV is introduced through a modified dispersion relation, the effects on the astrophysical neutrino flavour fluxes are not visible. Hence, in order to modify also the oscillation amplitude, CPT is instead violated by adding a nondiagonal energy-independent contribution to the standard, mass-driven, neutrino oscillation Hamiltonian, within the context of the Standard Model Extension, and allowing it to become comparable in magnitude to the latter at a scale of 1 PeV. The CPTV term introduces three new mixing angles, two new eigenvalues and three new phases, all of which have currently unknown values. We have allowed these new parameters to vary, together with the ones associated to pure standard oscillations, and explored the consequences on the flavour fluxes. Detection prospects at the IceCube neutrino telescope, and in a fictional larger detector, have been studied, assuming different models for the neutrino flux. Our results suggest that, when the flavour fluxes at production are in the ratios φ0e : φ0μ : φ0τ = 1 : 2 : 0 or 0 : 1 : 0, the modifications to the flavour fluxes at Earth are larger and more clearly separable from the standard-oscillations predictions. When the ratios are 1 : 0 : 0, the separation is less clear. We conclude that, for certain values of the CPTV parameters, IceCube might be able to detect potentially large deviations from the standard flavour fluxes, even for flux models as low as the Waxman-Bahcall bound. Precision measurements of these parameters, however, are unlikely to be made unless a much larger ˘ Cerenkov detector or a one of a different kind are used.

En esta tesis exploramos la posible ruptura de la simetría CPT en el sector de neutrinos, a una energía suficientemente alta, usando para esto el flujo de neutrinos de alta energía que se espera que provenga de fuentes astrofísicas lejanas como galaxias activas y explosiones de rayos gamma. La violación de CPT (CPTV) puede afectar las oscilaciones de neutrinos en dos formas: modificando la longitud de oscilación o la amplitud de la misma. Demostramos que cuando sólo la longitud de oscilación es afectada, tal y como sucede cuando la CPTV es introducida a través de una relación de dispersión modificada, los efectos sobre los flujos de neutrinos de distintos sabores no son visibles. Por lo tanto, con la intención de modificar también la amplitud de oscilación, violamos CPT a través de la adición de una contribución, no diagonal e independiente de la energía, al Hamiltoniano de oscilaciones estándar, dentro del contexto de la Extensión del Modelo Estándar, y permitimos que esta contribución se vuelva comparable en magnitud al término estándar, a una escala de 1 PeV. El término de CPTV introduce tres nuevos ángulos de mezcla, dos nuevos autovalores y tres nuevas fases, todos los cuales tienen valores actualmente desconocidos. Hemos variado estos parámetros, junto con los parámetros asociados a las oscilaciones estándar, y explorado las consecuencias para los flujos de sabor. Hemos explorado también la posible detección en IceCube, y en un detector ficcional más grande, asumiendo diferentes modelos para el flujo de neutrinos. Nuestros resultados sugieren que, cuando las razones de sabor en la producción son Ө0e: Ө0μ : Ө0τ= 1 : 2 : 0 ´o 0 : 1 : 0, las modificaciones a los flujos en Tierra son más pronunciadas y más claramente separables de las predicciones de las oscilaciones estándar. Cuando las razones son 1 : 0 : 0, la separación es menos clara. Concluimos que, para ciertos valores de los parámetros de CPTV, IceCube podría ser capaz de detectar desviaciones potencialmente grandes respecto de los valores estándar, incluso para modelos de flujo tan bajos como el límite Waxman-Bahcall. Una medición precisa de los parámetros, sin embargo, será difícil a menos que se utilice un detector Čerenkov mucho más voluminoso, o uno de diferente tipo.