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Type: Tese
Title: Testing the fundamental physical properties of relic neutrinos using cosmological data
Author: Rivera, Alexander Bonila
First Advisor: Abreu, Everton Murilo Carvalho de
Co-Advisor: Ananias Neto, Jorge
Referee Member: Nunes, Rafael da Costa
Referee Member: Barboza Junior, Edesio Miguel
Referee Member: Mendes, Albert Carlo Rodrigues
Referee Member: Oliveira Neto, Gil de
Resumo: Nesta tese, investigamos as restrições observacionais no fundo de neutrinos cósmicos (CNB) dado pelo cenário estendido Λ CDM (Λ CDM +Nef f + P mν + c 2 ef f + c 2 vis + ξν), usando os últimos dados observacionais de Planck CMB (espectro de potência de temperatura, baixa polarização e reconstrução de lentes), oscilações acústicas bariônicas (BAOs), o novo valor local recente da constante de Hubble do Telescópio Espacial Hubble (HST) e informações da abundância de aglomerados de galáxias (GCs). Nós estudamos as restrições no background do CNB usando dados CMB + BAO + HST com e sem os dados de GC. Encontramos ∆Nef f = 0, 614 ± 0, 26 com um nível de confiança de 68 por cento quando os dados de GC são adicionados na análise. Não encontramos desvio significativo para a velocidade do som no quadro de repouso CNB. Também analisamos o caso particular Λ CDM +Nef f + P mν + ξν com os dados observacionais. Nesse cenário, encontramos ∆Nef f = 0, 60 ± 0, 28 a um nível de confiança de 68 por cento. Em ambos os cenários, não foram encontrados desvios médios para o parâmetro de degenerescência. Por outro lado, consideramos uma assimetria cosmológica leptônica na forma de neutrinos e impomos novas sensibilidades esperadas sobre tal assimetria através do parâmetro de degenerescência (ξν) usando alguns configurações futuras do experimento CMB, como CORE e CMB-S4. Tomando o cenário padrão com três estados de neutrino, encontramos ξµ = 0, 05 ± 0, 10 (± 0, 04), de CORE (CMB-S4) em 95 por cento CL, respectivamente. Além disso, dentro deste cenário, avaliamos a escala de massa dos neutrinos, obtendo que o esquema de massa da hierarquia normal é privilegiado. Nossos resultados são uma atualização sobre a assimetria cosmológica leptônica e a escala de massa de neutrino neste contexto, a partir da qual pode trazer uma perspectiva sobre a hipótese nula para ξν (e seus efeitos em ∆Nef f ), onde talvez, ξν pode assumir um valor não nulo de até 95 por cento CL de experiências futuras, como CMB-S4. Finalmente, consideramos a possibilidade de testar novas partículas leves termalizadas e também restringir possíveis interações de nova física de neutrinos de Dirac. Muitos modelos de neutrinos de Dirac que visam abordar a estabilidade de Dirac, a pequenez das massas de neutrinos ou a assimetria matéria-antimatéria do nosso Universo conferem os parceiros de quiralidade destros νR com interações adicionais que podem termalizá-los, como é o caso dos bósons Z’ ultraleves. Discutimos modelos bem motivados para U(1)B−L, através da medida do número efetivo de graus de liberdade relativísticos no Universo primitivo, Nef f . Consideramos uma extensão do modelo padrão de cosmologia, tipo ΛCDM + Σmν + M 0 z , onde M 0 z é a massa do bóson Z’. Usando diferentes testes observacionais, descobrimos que P mν < 0.32 eV, Mz 0 < 17.2 GeV and meff ν,sterile < 0.47 eV, que está dentro dos limites de estudos anteriores, incluindo os resultados de 2018 da colaboração Planck. Além disso, comparamos a sensibilidade do SPT-3G, Observatório Simons e CMB-S4 a outros experimentos, em particular o LHC.
Abstract: In this thesis we investigate the observational constraints on the cosmic neutrino background (CNB) given by the extended ΛCDM scenario (ΛCDM +Nef f + P mν + c 2 ef f + c 2 vis + ξν) using the latest observational data from Planck CMB (temperature power spectrum, low-polarisation and lensing reconstruction), baryon acoustic oscillations (BAOs), the new recent local value of the Hubble constant from Hubble Space Telescope (HST) and information of the abundance of galaxy clusters (GCs). We study the constraints on the CNB background using CMB + BAO + HST data with and without the GC data. We find ∆Nef f = 0.614 ± 0.26 at 68 per cent confidence level when the GC data are added in the analysis. We do not find significant deviation for sound speed in the CNB rest frame. We also analyze the particular case ΛCDM +Nef f + P mν +ξν with the observational data. Within this scenario, we find ∆Nef f = 0.60 ± 0.28 at 68 per cent confidence level. In both the scenarios, no mean deviations are found for the degeneracy parameter. On the other hand, We consider a cosmological lepton asymmetry in the form of neutrinos and impose new expected sensitivities on such asymmetry through the degeneracy parameter (ξν) by using some future CMB experiment configurations, such as CORE and CMB-S4. Taking the default scenario with three neutrino states, we find ξµ = 0.05 ± 0.10 (± 0.04), from CORE (CMB-S4) at 95 percent CL, respectively. Also, within this scenario, we evaluate the neutrino mass scale, obtaining that the normal hierarchy mass scheme is privileged. Our results are an update concerning on the cosmological lepton asymmetry and the neutrino mass scale within this context, from which can bring a perspective on the null hypothesis for ξν (and its effects on ∆Nef f ), where perhaps, ξν may take a non-null value up to 95 percent CL from future experiments such as CMB-S4. Finally, we consider the possibility of testing new thermalized light particles and also constraints possible new-physics interactions of Dirac neutrinos. Many Dirac-neutrino models that aim to address the Dirac stability, the smallness of neutrino masses, or the matter–anti-matter asymmetry of our Universe confer the right-handed chirality partners νR with additional interactions that can thermalize them, which is the case of ultralight Z’ bosons. We discuss well-motivated models for νR interactions such as gauged U(1)B−L, through measure of the effective number of relativistic degrees of freedom in the early Universe, Nef f . We consider an extension of the standard model of cosmology, type ΛCDM + Σmν + M 0 z , where M 0 z is the mass of the Z’ boson. Using different observational tests, we found that P mν < 0.32 eV, Mz 0 < 17.2 GeV and meff ν,sterile < 0.47 eV, which is within the limits of previous studies, including the 2018 results of the Planck collaboration. Furthermore, we compare the sensitivity of SPT-3G, Simons Observatory, and CMB-S4 to other experiments, in particular the LHC.
Keywords: Fundo cósmico neutrino
Lepton asymmetry
Fundo cósmico de microondas
Bósons ultraleves
Cosmic neutrino background
Lepton asymmetry
Cosmic microwave background
Ultralight bosons
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Language: eng
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Física
Access Type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Creative Commons License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
DOI: https://doi.org/10.34019/ufjf/te/2022/00115
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/15533
Issue Date: 20-Sep-2022
Appears in Collections:Doutorado em Física (Teses)



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