Mistura de sabor e violação de CP

Pós-graduação em Física - IFT

Leptogenesis via hypermagnetic fields and baryon asymmetry

We study baryon asymmetry generation originated from the leptogenesis in the presence of hypermagnetic fields in the early Universe plasma before the electroweak phase I ransition (EWPT). For the simplest Chern-Simons (CS) wave configuration of hypermagnetic field we find the baryon asymmetry growth when the hypermagnetic field value changes due to alpha(2)-dynamo and the lepton asymmetry rises due to the Abelian anomaly. We solve the corresponding integro-differential equations for the lepton asymmetries describing such selfconsistent dynamics for lepto- and baryogenesis in the two scenarios: (i) when a primordial lepton asymmetry sits in right electrons e(R); and (ii) when, in addition to e(R), a left lepton asyninwtty for e(L) and v(eL) at due to chirality flip reactions provided by in Iiigg,s decays at the temperatures, T < T-RL similar to 10 TeV. We find that the baryon asymmetry of the Universe (BAU) rises very fast through such leptogenesis, especially, in strong hypermagnetic fields. Varying (decreasing) the CS wave number parameter k(0) < 10(-7) T-EW one can recover the observable value of BAU, eta(B) similar to 10(-9), where k(0) = 10(-7) T-EW corresponds to the ataxinittat value for CS wave number surviving ohmic dissipation of hypermagnetic field. In the scenario (ii) one predicts the essential difference of the lepton numbers of right- and left electrons at EWPT time, L-eR - L-eL similar to (mu(eR) / mu(eL))/T-EW = Delta mu/T-EW similar or equal to 10(-5) that can be used as an initial condition for chiral asymmetry after EWPT.

Searching for resonances in the unbound Be-6 nucleus by using a radioactive Be-7 beam

Knowledge of the He-3(He-3,2p)He-4 reaction is important for understanding stellar burning and solar neutrino production. Previous measurements have found a surprisingly large rise in the cross section at low energies that could be due to a low-energy resonance in the He-3 + He-3 (Be-6) system or electron screening. In the Be-6 nucleus, however, no excited states have been observed above the first 2(+) state at E (x) = 1.67 MeV up to 23 MeV, even though several are expected. The H-2(Be-7,H-3)Be-6 reaction has been studied for the first time to search for resonances in the Be-6 nucleus that may affect our understanding of the He-3(He-3,2p)He-4 reaction. A 100-MeV radioactive Be-7 beam from the Holifield Radioactive Ion Beam Facility (HRIBF) was used to bombard CD2 targets, and tritons were detected by using the silicon detector array (SIDAR). A combination of reaction mechanisms appears to be necessary to explain the observed triton energy spectrum.

Constraints on enhanced dark matter annihilation from IceCube results

Excesses on positron and electron fluxes-measured by ATIC and the PAMELA and Fermi-LAT telescopes-can be explained by dark matter annihilation in the Galaxy, however, it requires large boosts on the dark matter annihilation rate. There are many possible enhancement mechanisms such as the Sommerfeld effect or the existence of dark matter clumps in our halo. If enhancements on the dark matter annihilation cross section are taking place, the dark matter annihilation in the core of the Earth will be enhanced. Here we use recent results from the IceCube 40-string configuration to probe generic enhancement scenarios. We present results as a function of the dark matter-proton interaction cross section, sigma(chi p) weighted by the branching fraction into neutrinos f(nu(nu) over bar) as a function of a generic boost factor B-F, which parametrizes the expected enhancement of the annihilation rate. We find that dark matter models that require annihilation enhancements of O(100) or more and that annihilate significantly into neutrinos are excluded as an explanation for these excesses. We also determine the boost range that can be probed by the full IceCube telescope.

Evolution of a dense neutrino gas in matter and electromagnetic field

We describe the system of massive Weyl fields propagating in a background matter and interacting with an external electromagnetic field. The interaction with an electromagnetic field is due to the presence of anomalous magnetic moments. To canonically quantize this system first we develop the classical field theory treatment of Weyl spinors in frames of the Hamilton formalism which accounts for the external fields. Then, on the basis of the exact solution of the wave equation for a massive Weyl field in a background matter we obtain the effective Hamiltonian for the description of spin-flavor oscillations of Majorana neutrinos in matter and a magnetic field. Finally, we incorporate in our analysis the neutrino self-interaction which is essential when the neutrino density is sufficiently high. We also discuss the applicability of our results for the studies of collective effects in spin-flavor oscillations of supernova neutrinos in a dense matter and a strong magnetic field. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

The spectrum of high-energy cosmic rays measured with KASCADE-Grande

The energy spectrum of cosmic rays between 10(16) eV and 10(18) eV, derived from measurements of the shower size (total number of charged particles) and the total muon number of extensive air showers by the KASCADE-Grande experiment, is described. The resulting all-particle energy spectrum exhibits strong hints for a hardening of the spectrum at approximately 2 . 10(16) eV and a significant steepening at approximate to 8 . 10(16) eV. These observations challenge the view that the spectrum is a single power law between knee and ankle. Possible scenarios generating such features are discussed in terms of astrophysical processes that may explain the transition region from galactic to extragalactic origin of cosmic rays. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

THE SLOAN DIGITAL SKY SURVEY CO-ADD: A GALAXY PHOTOMETRIC REDSHIFT CATALOG

We present and describe a catalog of galaxy photometric redshifts (photo-z) for the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) Co-add Data. We use the artificial neural network (ANN) technique to calculate the photo-z and the nearest neighbor error method to estimate photo-z errors for similar to 13 million objects classified as galaxies in the co-add with r < 24.5. The photo-z and photo-z error estimators are trained and validated on a sample of similar to 83,000 galaxies that have SDSS photometry and spectroscopic redshifts measured by the SDSS Data Release 7 (DR7), the Canadian Network for Observational Cosmology Field Galaxy Survey, the Deep Extragalactic Evolutionary Probe Data Release 3, the VIsible imaging Multi-Object Spectrograph-Very Large Telescope Deep Survey, and the WiggleZ Dark Energy Survey. For the best ANN methods we have tried, we find that 68% of the galaxies in the validation set have a photo-z error smaller than sigma(68) = 0.031. After presenting our results and quality tests, we provide a short guide for users accessing the public data.

Exploring nu signals in dark matter detectors

We investigate standard and non-standard solar neutrino signals in direct dark matter detection experiments. It is well known that even without new physics, scattering of solar neutrinos on nuclei or electrons is an irreducible background for direct dark matter searches, once these experiments reach the ton scale. Here, we entertain the possibility that neutrino interactions are enhanced by new physics, such as new light force carriers (for instance a "dark photon") or neutrino magnetic moments. We consider models with only the three standard neutrino flavors, as well as scenarios with extra sterile neutrinos. We find that low-energy neutrino-electron and neutrino-nucleus scattering rates can be enhanced by several orders of magnitude, potentially enough to explain the event excesses observed in CoGeNT and CRESST. We also investigate temporal modulation in these neutrino signals, which can arise from geometric effects, oscillation physics, non-standard neutrino energy loss, and direction-dependent detection efficiencies. We emphasize that, in addition to providing potential explanations for existing signals, models featuring new physics in the neutrino sector can also be very relevant to future dark matter searches, where, on the one hand, they can be probed and constrained, but on the other hand, their signatures could also be confused with dark matter signals.

Prospect on intergalactic magnetic field measurements with gamma-ray instruments

Observing high-energy gamma-rays from Active Galactic Nuclei (AGN) offers a unique potential to probe extremely tiny values of the intergalactic magnetic field (IGMF), a long standing question of astrophysics, astropa rticle physics and cosmology. Very high energy (VHE) photons from blazars propagating along the line of sight interact with the extragalactic background light (EBL) and produce e + e − pairs. Through inverse-Compton interaction, mainly on the cosmic microwave background (CMB), these pairs generate secondary GeV-TeV compo- nents accompanying the primary VHE signal. Such secondary components would be detected in the gamma-ray range as delayed “pair echos” for very weak IGMF ( B< 10 − 16 G ), while they should result in a spatially extended ga mma-ray emission around the source for higher IGMF values ( B> 10 − 16 G ). Coordinated observations with space (i.e. Fermi) and ground- based gamma-ray instruments, such as the pre sent Cherenkov experiments H.E.S.S., MAGIC and VERITAS, the future Cherenkov Telescope Array (CTA) Observatory, and the wide-field detectors such as HAWC and LHAASO, should allow to analyze and finally detect such echos, extended emission or pair halos, and to further characterize the IGMF.

A Dark Matter Search with AMANDA : Limits on the Muon Flux from Neutralino Annihilations at the Centre of the Earth with 1997-99 Data

The nature of the dark matter in the Universe is one of the greatest mysteries in modern astronomy. The neutralino is a nonbaryonic dark matter candidate in minimal supersymmetric extensions to the standard model of particle physics. If the dark matter halo of our galaxy is made up of neutralinos some would become gravitationally trapped inside massive bodies like the Earth. Their pair-wise annihilation produces neutrinos that can be detected by neutrino experiments looking in the direction of the centre of the Earth. The AMANDA neutrino telescope, currently the largest in the world, consists of an array of light detectors buried deep in the Antarctic glacier at the geographical South Pole. The extremely transparent ice acts as a Cherenkov medium for muons passing the array and using the timing information of detected photons it is possible to reconstruct the muon direction. A search has been performed for nearly vertically upgoing neutrino induced muons with AMANDA-B10 data taken over the three year period 1997-99. No excess above the atmospheric neutrino background expectation was found. Upper limits at the 90 % confidence level has been set on the annihilation rate of neutralinos at the centre of the Earth and on the muon flux induced by neutrinos created by the annihilation products.

Reconstruction of CNGS neutrino events in the emulsions of the OPERA experiment

The OPERA experiment aims at the direct observation of ν_mu -> ν_tau oscillations in the CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) neutrino beam produced at CERN; since the ν_e contamination in the CNGS beam is low, OPERA will also be able to study the sub-dominant oscillation channel ν_mu -> ν_e. OPERA is a large scale hybrid apparatus divided in two supermodules, each equipped with electronic detectors, an iron spectrometer and a highly segmented ~0.7 kton target section made of Emulsion Cloud Chamber (ECC) units. During my research work in the Bologna Lab. I have taken part to the set-up of the automatic scanning microscopes studying and tuning the scanning system performances and efficiencies with emulsions exposed to a test beam at CERN in 2007. Once the triggered bricks were distributed to the collaboration laboratories, my work was centered on the procedure used for the localization and the reconstruction of neutrino events.

Die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Suche nach kosmischen Neutrino-Punktquellen mit dem AMANDA-Neutrinoteleskop

Die Suche nach kosmischen Neutrinopunktquellen ist durch dieFrage motiviert, wo die hochenergetische Kosmische Strahlungim Universum entsteht. Wenn dort Hadronen beschleunigtwerden, sollten Mesonen produziert werden und daraushochenergetische Neutrinos entstehen. Diese können nahezuungestört die Erde erreichen. Die Identifikation einerNeutrinopunktquelle ist eines der zentralen Ziele desAMANDA-Neutrinoteleskopes am geographischen Südpol. In dieser Dissertation wird zunächst gezeigt, wie dieWinkelauflösung für jedes einzelne Neutrinoereignisindividuell bestimmt werden kann. Zudem stellt sich derWinkelfehlerschätzer als guter Qualitätsparameter zurUnterdrückung von Untergrundereignissen heraus. Die bisher zur Punktquellensuche verwendete Suchmethode kanndiese zusätzliche Information nicht verwenden, da es sich umein reines Zählverfahren handelt. Dadurch motiviert wird einneues Verfahren entwickelt, das auf der Methode der MaximumLikelihood basiert. Darin wird die Winkelauflösung für jedesEreignis in natürlicher Art und Weise integriert. Die erreichte Sensitivität der Maximum-Likelihood-Methodevon bar{Phi}_nu^90 approx 2cdot 10^-8 cm^-2 s^-1 istvergleichbar mit derjenigen der bisherigen Vorgehensweise.Die Ortsauflösung, mit der die Position eineridentifizierten Quelle bestimmt wird, ist um den Faktor ca.4 verbessert, und liegt bei etwa einem Grad. Ebenfalls neu ist der Wegfall von künstlichen Suchgittern,mit denen der Himmel bei der Suche nach Quellen unbekannterLage bisher eingeteilt worden ist. Stattdessen werdenkontinuierliche Funktionen der Himmelskoordinaten studiert. Die im Jahr 2000 aufgezeichneten Daten wurden einer Suchenach Neutrinopunktquellen unterzogen. Wie schon bei einervorherigen Suche mit der alten Vorgehensweis konnte keineQuelle identifiziert werden. Für die 30 untersuchtenKandidatenobjekte ergeben sich obere Grenzen in der Nähe derSensitivität. Das entwickelte Verfahren ist problemlos auf jedesExperiment übertragbar, das ein Entdeckungspotenzial fürPunktquellen hat.

Echtzeitsuche nach Neutrinoausbrüchen von Supernovae mit dem AMANDA-II-Detektor

Der AMANDA-II Detektor ist primär für den richtungsaufgelösten Nachweis hochenergetischer Neutrinos konzipiert. Trotzdem können auch niederenergetische Neutrinoausbrüche, wie sie von Supernovae erwartet werden, mit hoher Signifikanz nachgewiesen werden, sofern sie innerhalb der Milchstraße stattfinden. Die experimentelle Signatur im Detektor ist ein kollektiver Anstieg der Rauschraten aller optischen Module. Zur Abschätzung der Stärke des erwarteten Signals wurden theoretische Modelle und Simulationen zu Supernovae und experimentelle Daten der Supernova SN1987A studiert. Außerdem wurden die Sensitivitäten der optischen Module neu bestimmt. Dazu mussten für den Fall des südpolaren Eises die Energieverluste geladener Teilchen untersucht und eine Simulation der Propagation von Photonen entwickelt werden. Schließlich konnte das im Kamiokande-II Detektor gemessene Signal auf die Verhältnisse des AMANDA-II Detektors skaliert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Algorithmus zur Echtzeit-Suche nach Signalen von Supernovae als Teilmodul der Datennahme implementiert. Dieser beinhaltet diverse Verbesserungen gegenüber der zuvor von der AMANDA-Kollaboration verwendeten Version. Aufgrund einer Optimierung auf Rechengeschwindigkeit können nun mehrere Echtzeit-Suchen mit verschiedenen Analyse-Zeitbasen im Rahmen der Datennahme simultan laufen. Die Disqualifikation optischer Module mit ungeeignetem Verhalten geschieht in Echtzeit. Allerdings muss das Verhalten der Module zu diesem Zweck anhand von gepufferten Daten beurteilt werden. Dadurch kann die Analyse der Daten der qualifizierten Module nicht ohne eine Verzögerung von etwa 5 Minuten geschehen. Im Falle einer erkannten Supernova werden die Daten für die Zeitdauer mehrerer Minuten zur späteren Auswertung in 10 Millisekunden-Intervallen archiviert. Da die Daten des Rauschverhaltens der optischen Module ansonsten in Intervallen von 500 ms zur Verfgung stehen, ist die Zeitbasis der Analyse in Einheiten von 500 ms frei wählbar. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Analysen dieser Art am Südpol aktiviert: Eine mit der Zeitbasis der Datennahme von 500 ms, eine mit der Zeitbasis 4 s und eine mit der Zeitbasis 10 s. Dadurch wird die Sensitivität für Signale maximiert, die eine charakteristische exponentielle Zerfallszeit von 3 s aufweisen und gleichzeitig eine gute Sensitivität über einen weiten Bereich exponentieller Zerfallszeiten gewahrt. Anhand von Daten der Jahre 2000 bis 2003 wurden diese Analysen ausführlich untersucht. Während die Ergebnisse der Analyse mit t = 500 ms nicht vollständig nachvollziehbare Ergebnisse produzierte, konnten die Resultate der beiden Analysen mit den längeren Zeitbasen durch Simulationen reproduziert und entsprechend gut verstanden werden. Auf der Grundlage der gemessenen Daten wurden die erwarteten Signale von Supernovae simuliert. Aus einem Vergleich zwischen dieser Simulation den gemessenen Daten der Jahre 2000 bis 2003 und der Simulation des erwarteten statistischen Untergrunds kann mit einem Konfidenz-Niveau von mindestens 90 % gefolgert werden, dass in der Milchstraße nicht mehr als 3.2 Supernovae pro Jahr stattfinden. Zur Identifikation einer Supernova wird ein Ratenanstieg mit einer Signifikanz von mindestens 7.4 Standardabweichungen verlangt. Die Anzahl erwarteter Ereignisse aus dem statistischen Untergrund beträgt auf diesem Niveau weniger als ein Millionstel. Dennoch wurde ein solches Ereignis gemessen. Mit der gewählten Signifikanzschwelle werden 74 % aller möglichen Vorläufer-Sterne von Supernovae in der Galaxis überwacht. In Kombination mit dem letzten von der AMANDA-Kollaboration veröffentlicheten Ergebnis ergibt sich sogar eine obere Grenze von nur 2.6 Supernovae pro Jahr. Im Rahmen der Echtzeit-Analyse wird für die kollektive Ratenüberhöhung eine Signifikanz von mindestens 5.5 Standardabweichungen verlangt, bevor eine Meldung über die Detektion eines Supernova-Kandidaten verschickt wird. Damit liegt der überwachte Anteil Sterne der Galaxis bei 81 %, aber auch die Frequenz falscher Alarme steigt auf bei etwa 2 Ereignissen pro Woche. Die Alarm-Meldungen werden über ein Iridium-Modem in die nördliche Hemisphäre übertragen, und sollen schon bald zu SNEWS beitragen, dem weltweiten Netzwerk zur Früherkennung von Supernovae.

Neutrino velocity measurement with the OPERA experiment in the CNGS beam

In the thesis is presented the measurement of the neutrino velocity with the OPERA experiment in the CNGS beam, a muon neutrino beam produced at CERN. The OPERA detector observes muon neutrinos 730 km away from the source. Previous measurements of the neutrino velocity have been performed by other experiments. Since the OPERA experiment aims the direct observation of muon neutrinos oscillations into tau neutrinos, a higher energy beam is employed. This characteristic together with the higher number of interactions in the detector allows for a measurement with a much smaller statistical uncertainty. Moreover, a much more sophisticated timing system (composed by cesium clocks and GPS receivers operating in “common view mode”), and a Fast Waveform Digitizer (installed at CERN and able to measure the internal time structure of the proton pulses used for the CNGS beam), allows for a new measurement with a smaller systematic error. Theoretical models on Lorentz violating effects can be investigated by neutrino velocity measurements with terrestrial beams. The analysis has been carried out with blind method in order to guarantee the internal consistency and the goodness of each calibration measurement. The performed measurement is the most precise one done with a terrestrial neutrino beam, the statistical accuracy achieved by the OPERA measurement is about 10 ns and the systematic error is about 20 ns.

Überprüfung der Genauigkeit der Relativitätstheorie mit atmosphärischen Myonneutrinos aus den AMANDA-Daten der Jahre 2000 bis 2003

Atmosphärische Neutrinos erlauben es Prinzipien der Relativitätstheorie, wie die Lorentz-Invarianz und das schwache Äquivalenzprinzip, zu überprüfen. Kleine Abweichungen von diesen Prinzipien können in einigen Theorien zu messbaren Neutrinooszillationen führen. In dieser Arbeit wird in den aufgezeichneten Neutrinoereignissen des AMANDA-Detektors nach solchen alternativen Oszillationseffekten gesucht. Das Neutrinoteleskop AMANDA befindet sich am geographischen Südpol und ist in einer Tiefe zwischen 1500 m und 2000 m im antarktischen Eispanzer eingebettet. AMANDA weist Myonneutrinos über das Tscherenkow-Licht neutrinoinduzierter Myonen nach, woraus die Richtung der Bahn des ursprünglichen Neutrinos rekonstruiert werden kann. Aus den AMANDA-Daten der Jahre 2000 bis 2003 wurden aus circa sieben Milliarden aufgezeichneten Ereignissen, die sich hauptsächlich aus dem Untergrund aus atmosphärischen Myonen zusammensetzen, 3401 Ereignisse neutrinoinduzierter Myonen selektiert. Dieser Datensatz wurde auf alternative Oszillationseffekte untersucht. Es wurden keine Hinweise auf solche Effekte gefunden. Für maximale Mischungswinkel konnte die untere Grenze für Oszillationsparameter, welche die Lorentz-Invarianz oder das Äquivalenzprinzip verletzen, auf DeltaBeta (2PhiDeltaGamma) < 5,15*10e-27 festgelegt werden.