Exotic lepton flavour violating processes in the field of nucleus

Abstract

The main objective of the present Thesis is to explore the exotic neutral-current (NC) neutrino processes, predicted by theories beyond the Standard Model (SM) of the electroweak interactions to take place in the field of nucleons and nuclei. The subject of neutrino non-standard interactions (NSI) plays a leading role in recent studies of lepton flavour violating (LFV) processes, now that the three oscillation in propagation paradigm is put in rather solid grounds. In particular, we concentrate on the vector NSI of neutrino scattering off nuclear systems, detectors of ongoing and designed extremely sensitive experiments searching for LFV. It is, furthermore, shown that within the framework of tensorial neutrino NSI, electromagnetic (EM) neutrino properties are also predicted, which are complementary to distinguish the Dirac or Majorana nature of neutrinos. For the case of neutrino EM interactions a thorough investigation is devoted demonstrating that neutrino-nucleus scattering is a promising probe to search for physics beyond the SM. The first stage of our research involves the development of the mathematical formalism where the relevant NSI operators are parametrised assuming typical phenomenological four-fermion contact interaction Lagrangians. The impact of the nuclear structure properties is studied through the appropriate transformation of the quark-level Lagrangians to the nuclear-level one. The corresponding neutrino-nucleus cross sections are evaluated by employing the nuclear method of the multipole decomposition of the hadronic current, established by Donnelly-Walecka. In addition, the various flavour preserving and flavour changing interaction channels, predicted to occur within NSI, are taken into consideration through the evaluation of the respective matrix elements entering the relevant cross sections. The nuclear physics aspects of these processes are systematically studied in the context of the state-of-the-art quasi-particle random phase approximation (QRPA). Specifically, for the case of coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CENNS), the nuclear ground state is constructed by solving iteratively the Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) equations. This way, realistic strong two-nucleon pairing forces are taken into account maximising the reliability of the obtained results. Such nuclear structure corrections improve previous CENNS calculations ignoring the nuclear form factor, by even one order of magnitude.From the experimental physics perspective, for the case of both conventional and exotic neutrino processes, the accuracy of the obtained cross sections is exploited in order to compute with high significance the corresponding convoluted cross sections that represent the signal expected to be recorded by terrestrial nuclear detectors. Furthermore, we evaluate reliably other important experimental observables such as the differential event rates and the number of neutrino scattering events expected to be measured in Supernova (SN), Spallation Neutron Source (SNS) and reactor neutrino experiments. We illustrate that, such measurements may be very sensitive to neutrino-quark NSI or neutrino EM interactions (magnetic moment, mean charge-radius, milli-charge) and could provide more severe constraints as compared to those expected in future neutrino factory experiments. To this end, our study involves extensive calculations for a set of promising target materials throughout the periodic table of nuclides. Focusing on astrophysical (SN) and laboratory (SNS and reactor) neutrino sources as well as dark matter and multipurpose experiments, our results refer to the 20Ne, 40Ar, 76Ge and 132Xe isotopes, i.e. the target nuclei of ongoing and future experiments including the COHERENT, TEXONO, GEMMA and the direct detection of Cold Dark Matter (CDM) experiments. Therefore, this type of calculations is of primary importance for experiments searching for WIMP-nucleus scattering, since CENNS events constitutes an irreducible background. In view of the operation of extremely intense laboratory neutrino fluxes (at the SNS, J-PARC, Fermilab, PSI, etc.), the sensitivity to search for new physics will be largely increased, and, therefore, through CENNS measurements, several open questions (involving neutrino NSI, neutrino magnetic moment, sterile neutrino searches and others) may be answered. Our present results, in conjunction with those expected from sensitive muon-to-electron conversion experiments (Mu2e at Fermilab, COMET at J-PARC), may offer significant contribution to understand the fundamental nature of electroweak interactions in the leptonic sector and to constrain the parameters of beyond the SM Lagrangians.

Το αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής εντάσσεται στο χώρο επικάλυψης της πυρηνικής αστροφυσικής, της αστροσωματιδιακής φυσικής και των θεμελιωδών ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων. Κύριος σκοπός της εργασίας αυτής είναι η διερεύνηση των ανοιχτών ερωτημάτων της σύγχρονης έρευνας της φυσικής των νετρίνων, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στη μελέτη των εξωτικών διαδικασιών ουδετέρου-ρεύματος των νετρίνων που λαμβάνουν χώρα στο πεδίο των πυρήνων και των νουκλεονίων. Οι εν λόγω αντιδράσεις προβλέπονται από θεωρίες πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου (Standard Model, SM) των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων ενώ παράλληλα αναζητούνται από εξαιρετικής ευαισθησίας πειράματα που λειτουργούν ή σχεδιάστηκαν να λειτουργήσουν στα ανά τον κόσμο μεγάλα Ερευνητικά Κέντρα.Το ζήτημα των μη-συμβατικών αλληλεπιδράσεων (non-standard interactions, NSI) των νετρίνων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη σύγχρονη έρευνα των διαδικασιών παραβίασης λεπτονικής γεύσης (lepton flavour violation, LFV) καθ' ότι το φαινόμενο των ταλαντώσεων των νετρίνων, με το οποίο έχει αποδειχθεί η εν λογω παραβίαση στον λεπτονικό τομέα ουδετέρων σωματίων, έχει τεθεί πλέον σε ισχυρές βάσεις. Οι ανωτέρω αντιδράσεις προβλέπεται επίσης ότι λαμβάνουν χώρα υπό τις ακραίες συνθήκες που επικρατούν σε αστροφυσικό περιβάλλον (π.χ. συνθήκες έκρηξης Υπερκαινοφανούς αστέρα) επιβάλλοντας σημαντικές αλλαγές στα φαινόμενα εξέλιξης ενός Υπερκαινοφανούς κατάρρευσης καρδιάς (core collapse Supernova). Επιπρόσθετα, αναμένεται να παρατηρηθούν από επίγειους πυρηνικούς ανιχνευτές σύγχρονων εργαστηρίων όπως στο Oak Ridge National Lab (πείραμα COHERENT) καθώς και σε πειράματα νετρίνων πυρηνικών αντιδραστήρων ισχύος (πειράματα TEXONO, GEMMA, κλπ.). Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα έρευνα επικεντρώνεται στη μελέτη της διανυσματικής συνιστώσας των NSI στη σκέδαση νετρίνων από πυρηνικούς ανιχνευτές σύγχρονων πειραμάτων υψηλής ευαισθησίας, η οποία οδηγεί σε παραβίαση της λεπτονικής γεύσης. Επιπλέον, καταδεικνύεται ότι η τανυστική συνιστώσα NSI των νετρίνων, συνεπάγεται την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών (ΕΜ) ιδιοτήτων των νετρίνων, οι οποίες μπορούν να συμβάλλουν στη διαλεύκανση της Dirac ή Majorana φύσης των νετρίνων. Σχετικά με τις ΕΜ ιδιότητες των νετρίνων, πραγματοποιείται εκτεταμένη μελέτη η οποία μέχρι τώρα έχει αναδείξει την σκέδαση νετρίνου-πυρήνα ως μία πολλά υποσχόμενη διαδικασία διερεύνησης της φυσικής πέρα από το SM.Αρχικά, στην παρούσα εργασία, αναπτύσσεται κατάλληλος φορμαλισμός στον οποίο οι σχετικοί τελεστές των NSI παραμετροποιούνται θεωρώντας φαινομενολογικές Λαγκραντζιανές αλληλεπιδράσεως επαφής τεσσάρων-φερμιονίων (four fermion contact interaction). Στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής, λαμβάνεται υπόψη η εξάρτηση της ενεργού διατομής σκέδασης από τις ιδιότητες της πυρηνικής δομής στην οποία μεταβαίνουμε μέσω κατάλληλου μετασχηματισμού των σχετικών Λαγκραντζιανών από το επίπεδο των κουάρκς, στο πυρηνικό επίπεδο. Στους λεπτομερειακούς υπολογισμούς των ενεργών διατομών υιοθετείται η μέθοδος της πολυπολικής ανάπτυξης του πυρηνικού αδρονικού ρεύματος (μεθόδος Donnelly-Walecka). Επιπρόσθετα, τα διάφορα κανάλια αλληλεπίδρασης, διατήρησης ή παραβίασης της λεπτονικής γεύσης, των οποίων η ύπαρξη προβλέπεται στο πλαίσιο των NSI, μελετώνται μέσω αντίστοιχων υπολογισμών των πυρηνικών στοιχείων πίνακα που υπεισέρχονται στην ενεργό διατομή της υπό μελέτη αντίδρασης. Η συστηματική μελέτη των πτυχών της πυρηνικής δομής στις ανωτέρω διαδικασίες, επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας την μέθοδο της προσέγγισης τυχαίας φάσης με ημι-σωμάτια (quasi-particle random phase approximation, QRPA). Συγκεκριμένα, στην περίπτωση του συναφούς καναλιού ελαστικής σκέδασης νετρίνου-πυρήνα (coherent elastic neutrino-nucleus scattering, CENNS), η βασική πυρηνική κατάσταση κατασκευάζεται μέσω της επαναληπτικής επίλυσης των εξισώσεων Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Κατά συνέπεια λαμβάνεται υπόψη με ρεαλιστικό τρόπο η ισχυρή αλληλεπίδραση ζεύγους δύο-νουκλεονίων το οποίο οδηγεί σε ενίσχυση της αξιοπιστίας των ληφθέντων αποτελεσμάτων. Τέτοιου είδους υπολογισμοί, βασιζόμενοι στη λεπτομέρεια της πυρηνικής δομής, οδηγούν σε διαφορές έως και μίας τάξης μεγέθους των παρόντων αποτελεσμάτων σε σύγκριση με προηγούμενα στα οποία αγνοήθηκε πλήρως η εξάρτηση από τον πυρηνικό παράγοντα δομής.Από πειραματική έποψη, στην περίπτωση των συμβατικών και εξωτικών διαδικασιών νετρίνου-πυρήνα, η ακρίβεια των ληφθέντων ενεργών διατομών αξιοποιείται για τον υπολογισμό αντίστοιχων αναδιπλωμένων ενεργών διατομών, οι οποίες προσομοιάζουν το αναμενόμενο σήμα στους επίγειους πυρηνικούς ανιχνευτές. Επιπρόσθετα, στην παρούσα έρευνα πραγματοποιούνται ακριβείς υπολογισμοί σχετικοί με άλλες πολύ σημαντικές πειραματικές ποσότητες όπως, ο διαφορικός ρυθμός γεγονότων και ο ολικός αριθμός γεγονότων που αναμένεται να ανιχνευθούν σε πειράματα ανίχνευσης Υπερκαινοφανών νετρίνων, SNS νετρίνων καθώς και σε πειράματα νετρίνων αντιδραστήρων ισχύος (reactor neutrino experiments). Υπογραμμίζουμε ότι μετρήσεις τέτοιου είδους ενδέχεται να έχουν υψηλή ευαισθησία σε αλληλεπιδράσεις νετρίνου-κουάρκ ή ΕΜ φύσεως αλληλεπιδράσεις των νετρίνων (μαγνητική ροπή, μέση ακτίνα φορτίου, χιλιοστο-φορτίο) και κατά συνέπεια αναμένεται να θέσει αυστηρότερα όρια στις προαναφερθείσες εξωτικές ιδιότητες των νετρίνων σε σχέση με μελλοντικά πειράματα που θα διεξαχθούν στα neutrino factories. Στην κατεύθυνση αυτή, η παρούσα μελέτη περιλαμβάνει υπολογισμούς οι οποίοι αναφέρονται σε διάφορα πυρηνικά συστήματα που καλύπτουν όλο το φάσμα του περιοδικού πίνακα ισοτόπων. Η επικείμενη λειτουργία εξαιρετικά ισχυρών δεσμών εργαστηριακών νετρίνων (στα SNS, J-PARC, Fermilab, PSI, κλπ.), προϋποθέτει ότι, η ευαισθησία στην αναζήτηση νέας φυσικής θα αυξηθεί δραματικά και συνεπώς μέσω μετρήσεων της CENNS, πολλά ανοιχτά ζητήματα (όπως NSI νετρίνου, μαγνητική ροπή νετρίνου, η ύπαρξη sterile νετρίνο και άλλα) αναμένεται να διαλευκανθούν. Τα παρόντα αποτελέσματα, σε συνδυασμό με εκείνα που αναμένονται από τα πειράματα έρευνας της αντίδρασης μετατροπής μιονίου σε ηλεκτρόνιο, αφενός θα συνεισφέρουν σημαντικά στην κατανόηση των θεμελιωδών ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων στον λεπτονικό τομέα και αφετέρου στον περιορισμό των ορίων των παραμέτρων των Λαγκραντζιανών διάφορων μοντέλων που προχωρούν πέρα από το SM.