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New physics models with sterile neutrinos at different energy scales

Barry, James

German Title: Modelle mit neuer Physik für sterile Neutrinos an verschiedenen Energieskalen

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Neutrino mass requires new physics beyond the Standard Model: sterile neutrinos are one such example. In general the mass scale of such particles is unknown, so that different model building scenarios arise. The aim of this thesis is to accommodate light sterile neutrinos in working models and study the phenomenological consequences. Indeed, sterile neutrinos at the eV scale could explain observed short-baseline anomalies, whereas keV-scale warm dark matter particles could resolve tensions in the standard cosmological model. Different A4 flavour symmetry models are modified to include sterile neutrinos, with the Froggatt-Nielsen mechanism controlling their mass spectrum and higher-order effects explicitly taken into account. The resulting signatures in neutrinoless double beta decay are focussed on. In addition, the connection between that process and neutrino mass is studied in the left-right symmetric model: the multitude of contributions are categorised and various special cases are studied numerically. The role of mixed helicity diagrams is emphasised, and the inverse neutrinoless double beta decay process at a linear collider is analysed in detail. These and other experimental signatures will be crucial in deciphering the nature and origin of neutrino mass.

Translation of abstract (German)

Neutrinomassen benötigen neue Physik jenseits des Standardmodells, z.B. sterile Neutrinos. Verschiedene Modell-Szenarien sind möglich, da die Masse solcher sterilen Zustände unbekannt ist. Das Ziel dieser Arbeit ist es, leichte sterile Neutrinos in erfolgreiche Modelle einzubauen und die phänomenologischen Konsequenzen zu analysieren. In der Tat könnten sterile Neutrinos an der eV-Skala einige beobachtete Anomalien in Experimenten zu Neutrinooszillationen erklären, während keV sterile Neutrinos als warme dunkle Materie manche Probleme des kosmologischen Standardmodells lösen könnten. Verschiedene auf A4 basierende flavoursymmetrische Modelle werden mit sterilen Neutrinos erweitert, wobei das Massenspektrum durch den Froggatt-Nielsen-Mechanismus kontrolliert wird; der Einfluss höherer Ordnungen wird explizit berücksichtigt. Die Auswirkungen der Modelle auf neutrinolosen doppelten Betazerfall stehen im Mittelpunkt. Außerdem wird die Verbindung zwischen diesem Prozess und Neutrinomasse in einem links-rechts-symmetrischen Modell untersucht: die Vielzahl von Beiträgen wird kategorisiert und verschiedene Sonderfälle numerisch untersucht. Die Wichtigkeit von Diagrammen mit gemischter Helizität wird betont und der in einem Linearbeschleuniger beobachtbare invertierte neutrinolose doppelte Betazerfall im Detail analysiert. Diese und andere experimentelle Signaturen könnten Licht auf den Ursprung und die Natur der Neutrinomassen werfen.

Document type: Dissertation
Supervisor: Rodejohann, Dr. Werner
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 29 May 2013
Date Deposited: 13 Jun 2013 08:40
Date: 2013
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
DDC-classification: 530 Physics
Controlled Keywords: Neutrino, Doppelter Betazerfall
Uncontrolled Keywords: Flavour symmetry, neutrino mass models, left-right symmetric model
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