German Title: Neue Phänomene in der Neutrinophysik

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Abstract

In this thesis, we discuss two new concepts in neutrino physics: The neutrino Mössbauer effect and non-standard neutrino interactions. We show that neutrinos emitted and absorbed in recoil-free processes (Mössbauer neutrinos) can oscillate in spite of their near monochromaticity. We support this statement by quantum mechanical wave packet arguments and by a quantum field theoretical (QFT) calculation of the combined rate of Mössbauer neutrino emission, propagation and absorption. The QFT approach does not require any a priori assumptions on the neutrino wave function, and it allows us to include a realistic treatment of the different mechanisms leading to broadening of the emission and absorption lines. In the second part of this work, we study the phenomenology of non-standard neutrino interactions (NSI). We classifying the allowed NSI operators according to their impact on future oscillation experiments and present numerical results for the NSI sensitivities of reactor, superbeam and neutrino factory experiments. We point out that NSI could mimic standard oscillation effects, and might therefore lead to incorrect fit values for the oscillation parameters. For the case of the neutrino factory, we perform a detailed optimisation study to determine the optimum muon energy and detector configuration.

Translation of abstract (German)

Thema dieser Arbeit sind zwei neue Konzepte in der Neutrinophysik: der Neutrino-Mössbauer-Effekt und Nicht-Standard-Wechselwirkungen der Neutrinos. Wir zeigen, dass rückstoßfrei emittierte und absorbierte Neutrinos (Mössbauer-Neutrinos) trotz ihres quasi-monochromatischen Energiespektrums oszillieren können. Wir untermauern diese Aussage mit Hilfe des quantenmechanischen Wellenpaket-Formalismus und mit Hilfe einer quantenfeldtheoretischen Berechnung der kombinierten Emissions-, Propagations- und Absorptionsrate für Mössbauer-Neutrinos. Der QFT-Ansatz kommt ohne Annahmen über die Neutrino-Wellenfunktion aus, und erlaubt uns überdies eine realistische Behandlung der unterschiedlichen Mechanismen, die zu einer Verbreiterung der Emissions- und Absorptionslinien führen. Im zweiten Teil der Arbeit beschäftigen wir uns mit der Phänomenologie der Nicht-Standard-Wechselwirkungen (NSI). Wir klassifizieren die erlaubten NSI-Operatoren anhand ihrer Auswirkungen auf zukünftige Oszillationsexperimente und zeigen nummerische Resultate für die NSI-Sensitivität von Reaktor-, Superbeam- und Neutrinofabrik-Experimenten. Wir weisen darauf hin, dass NSI Standard-Effekte imitieren können, was unter Umständen zu falschen Fit-Werten für die Oszillationsparameter führen kann. Für den Fall der Neutrinofabrik führen wir eine detaillierte Optimierungs-Studie durch, um die optimale Myon-Energie und Detektor-Konfiguration zu bestimmen.