Efectos de la escala de Planck en un Modelo Majorón Seesaw Tipo-II modificado
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Date
2023
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Abstract
El Modelo Estándar es una de las teorías más exitosas dentro de aquellas que describen los fenómenos físicos, siendo capaz de describir con gran precisión las interacciones entre las partículas fundamentales que conforman la materia. Sin embargo, ha dejado algunas preguntas abiertas, por ejemplo, no ha sido capaz de explicar, en su formulación actual, la masa de neutrinos y la existencia de la materia oscura. A consecuencia de esto, constantemente se estudian diferentes formas de modelos más allá del modelo estándar para intentar dar explicaciones a estos fenómenos. Extensiones al modelo estándar se han llevado a cabo de diversas maneras, dentro de las cuales podemos encontrar los modelos seesaw y de Majorones. En ambos, se intenta proponer una explicación para la generación de masas de neutrinos. En los modelos seesaw se plantea la existencia de partículas mediadoras más pesadas en la generación de masas de neutrinos, mientras que en los modelos de tipo Majorón relacionan el rompimiento del número leptónico (LN) al origen de éstas mismas. En la presente investigación, se estudió un modelo de Majorón en régimen Seesaw Tipo-II modificado a la escala de Planck, donde se han incluido un singlete y triplete escalar en adición al doblete de Higgs del modelo estándar. Nuestra principal motivación radica en que, si los neutrinos son partículas masivas de tipo Majorana, entonces el número leptónico necesariamente se rompe. En este caso, la simetría global del número leptónico se rompe espontáneamente, debido a que los campos escalares adquieren un valor de expectación del vacío no nulo. Esto, además, resulta en la aparición de un bosón de Goldstone sin masa en nuestra teoría, el Majorón, J. En el modelo Majorón-seesaw tipo-II no hay rompimiento explícito de simetrías, ya que el rompimiento se produce de manera espontánea debido a los campos que adquieren un valor de expectación del vacío distinto de cero. Sin embargo, surge la interrogante acerca de si al inducir términos producto de efectos gravitacionales no perturbativos en la teoría, el Majorón podría convertirse en un candidato viable a materia oscura. En el modelo original, el Majorón corresponde a un bosón de Goldstone, lo que implica que es una partícula sin masa. No obstante, en nuestra extensión, la presencia de 13 nuevos operadores de dimensión 5, suprimidos por la escala de Planck, inducidos en el potencial escalar de nuestro modelo, generan correcciones a la masa de J. Las contribuciones provenientes de estos operadores son pequeñas, debido a esta supresión por la escala de Planck. Lo anterior, junto a las restricciones impuestas al espacio de parámetros y los diferentes filtros, nos conduce a que las masas obtenidas para el Majorón se encuentran en el rango keV-MeV. Se realizaron búsquedas en el espacio de parámetros del modelo extendido, donde se encontró que para que el Majorón sea un buen candidato a materia oscura es necesario que sea estable o que posea un tiempo de vida lo suficientemente grande, comparable con la edad del universo. El Majorón, en principio, puede interactuar con los neutrinos a nivel árbol, pero este acoplamiento es pequeño, por lo que el tiempo de vida de Majorones decayendo a neutrinos sería considerable. Por otra parte, también hemos tomado en cuenta el decaimiento a un loop de Majorones a fotones y de Majorones a electrones, al analizar un espacio de parámetros donde se obtuvieron masas suficientes para abrir este canal de decaimiento. De acuerdo a esto, se encontró que el tiempo de desintegración total de Majorones cumple con el requisito de superar la edad actual estimada del universo. Para las distintas búsquedas del espacio de parámetros, se encontró que el rango de masas para el Majorón, compatible con todas las restricciones y filtros impuestos en el modelo, corresponde a 10−9 GeV < m J < 10−2 GeV. Valores que dependen principalmente del vev del singlete, en el rango 10 6 GeV < v1 < 10 10 GeV. Respecto de otros parámetros fundamentales del modelo, hallamos que 10−4 GeV < v3 < 7 GeV y 10−9 < κ < 10−5, quienes cumplen un rol importante en la magnitud de las masas de los campos principalmente tripletes, H±, H±±, A y h2, cuyos valores se encuentran entre 10 2 GeV < m < 10 5 GeV. Para concluir, se estudió la producción de Majorones en el universo temprano mediante el mecanismo de freeze-in, considerando diferentes filtros al espacio de parámetros, mostrando que la abundancia de Majorones encontrada es compatible con la densidad fósil de materia oscura conocida en el universo.
Description
Tesis (Magíster en Física)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2023.