Reyes Hung, Maykoll Anthonny
Carmona Martínez, José Manuel (dir.) ; Cortés Azcoiti, José Luis (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2023
Resumen: El Modelo Estandar de la física de partículas y la Relatividad General son los modelos de física fundamental mas exitosos de los que disponemos hoy en día. Sin embargo, los intentos de construir un modelo que unifique el conocimiento de ambas y amplíe su rango de validez han sido infructuosos, debido al diferente papel que juega el espacio-tiempo en cada uno.
Para poder construir esta teoría de nueva física, seria muy útil información experimental que guíe los desarrollos teóricos. Sin embargo, se espera que las energías a las que dichos efectos son claramente manifiestos sean del orden de la escala de Planck, energías que quedan muy por encima de aquellas que somos capaces de alcanzar a día de hoy en nuestros experimentos y en las observaciones astrofísicas de mas alta energía. De ahí la importancia de trabajos que se centren en la búsqueda de huellas de esta nueva física a energías menores. El objetivo de esta tesis es estudiar posibles señales de física mas allá de Relatividad Especial en uno de los escenarios mas favorables para ello, la física de astropartículas de muy alta energía.
En los Capítulos 1 y 2 se presentan los ingredientes fundamentales de este estudio: los diferentes astromensajeros (neutrinos, rayos gamma y rayos cósmicos), y las diferentes formas de ir mas allá de Relatividad Especial (Violación de la Invariancia Lorentz y Relatividad Doblemente Especial). En el Capitulo 2, también se desarrolla el uso de la aproximación colineal, una propiedad de las interacciones de muy alta energía que nos permitíra simplificar el calculo de anchuras de desintegración y anchuras eficaces.
En el Capitulo 3 consideramos un modelo de Violación de la Invariancia Lorentz con neutrinos superluminicos. Dicho modelo convierte a los neutrinos en partículas inestables, permitiendo que decaigan mediante la emisión de pares electrón-positrón y neutrino-antineutrino.
Encontramos que considerar este modelo nueva fisica tiene importantes consecuencias en el flujo de neutrinos esperado en la Tierra, concretamente, la aparición de un corte en el espectro, precedido de una pequeña acumulación.
En el Capitulo 4 repetimos este análisis considerando neutrinos producidos durante la propagación de rayos cósmicos de muy alta energía. Encontramos que la existencia de un corte en el espectro puede hacer desaparecer el pico de neutrinos cosmogénicos que uno esperaría
ver como consecuencia de las interacciones de los rayos cósmicos con el Fondo Cósmico de Microondas. Ademas de ello, la acumulación previa al cutoff puede coincidir con el pico producido por las interacciones de los rayos cósmicos con el Fondo de Luz Extragalactico, incrementando la probabilidad de detectarlo.
En el Capitulo 5, estudiamos los efectos de la Relatividad Doblemente Especial en la propagación de rayos gamma. Podemos diferenciar dos implicaciones fenomenológicas diferentes: los efectos sobre el flujo y las anomalías en la diferencia de tiempos vuelo. Referente al primero, hemos considerado el modelo concreto (DCL1) y estudiado sus consecuencias en la transparencia del universo. Como resultado encontramos, respecto del caso de Relatividad Especial, un decremento (asintóticamente constante) de la transparencia a altas energías, precedido de un aumento. En el mismo capitulo también presentamos un modelo complemente general, y compatible con la Localidad Relativa de las interacciones, para la diferencia en tiempos de vuelo entre fotones de alta y baja energías en un espacio-tiempo llano.
Finalmente, en el Capitulo 6 recopilamos y resumimos los resultados mas importantes, limitaciones, y posibles futuras extensiones de este trabajo.
Resumen (otro idioma): The Standard Model of particle physics and General Relativity are the most successful fundamental physics models up today. However, attempts to develop a new model that unifies the knowledge of both and extends their range of validity have been unsuccessful, due to the different role the spacetime plays in each one. In order to construct this model of new physics, experimental feedback that could guide the theoretical developments would be very useful. However, the energies at which such effects clearly manifest are supposed to be of the order of the Planck scale, energies which are beyond the ones we can reach today in our experiments and in the highest energy astrophysical observations. This shows the importance of the research trying to find traces of this new physics at lower energies. The aim of this dissertation is to study possible signs of physics beyond Special Relativity in one of the most favorable scenarios, the physics of very high-energy astroparticles. The fundamental ingredients of this study are presented in Chapters 1 and 2: the different astromessengers (neutrinos, gamma rays and cosmic rays), and the different ways to go beyond Special Relativity (a Violation of the Lorentz Invariance and Doubly Special Relativity). In Chapter 2, we also develop the use of the collinear approximation, a property of very high-energy interactions which allows us to simplify the calculation of decay widths and cross sections. In Chapter 3 we consider a model of Lorentz Invariance Violation with superluminal neutrinos. This model makes neutrinos unstable particles, which are able to decay through electron-positron and neutrino-antineutrino pair emission. We find that considering this model of new physics has relevant consequences on the expected neutrino flux at Earth, namely, the appearance of a cutoff in the spectrum, preceded by a small excess of flux. In Chapter 4 we repeat this analysis considering neutrinos produced during the propagation of very high-energy cosmic rays. We find that the existence of a cutoff in the spectrum can make disappear the cosmogenic neutrino peak that one expects to see as a consequence of cosmic ray interactions with the Cosmic Microwave Background. Moreover, the accumulation previous to the cutoff can coincide with the peak produced by cosmic ray interactions with the Extragalactic Background Light, enhancing its probability of detection. In Chapter 5, we study the effects of Doubly Special Relativity on the propagation of gamma rays. We distinguish between two different phenomenological consequences: effects on the expected gamma ray flux and anomalies in the time of flights. Concerning the first one, we have focused in a particular model (DCL1) and studied its consequences on the transparency of the universe. We find, in comparison with the Special Relativity case, a (asymptotically constant) decrease of the transparency at high energies, preceded by an increase. In the same chapter we also present a general analysis, compatible with the Relative Locality of interactions, for the difference in times of flights between high- and low-energy photons in a flat spacetime. Finally, in Chapter 6 we gather and summarize the most important results, limitations, and possible future extensions of this work.
Para poder construir esta teoría de nueva física, seria muy útil información experimental que guíe los desarrollos teóricos. Sin embargo, se espera que las energías a las que dichos efectos son claramente manifiestos sean del orden de la escala de Planck, energías que quedan muy por encima de aquellas que somos capaces de alcanzar a día de hoy en nuestros experimentos y en las observaciones astrofísicas de mas alta energía. De ahí la importancia de trabajos que se centren en la búsqueda de huellas de esta nueva física a energías menores. El objetivo de esta tesis es estudiar posibles señales de física mas allá de Relatividad Especial en uno de los escenarios mas favorables para ello, la física de astropartículas de muy alta energía.
En los Capítulos 1 y 2 se presentan los ingredientes fundamentales de este estudio: los diferentes astromensajeros (neutrinos, rayos gamma y rayos cósmicos), y las diferentes formas de ir mas allá de Relatividad Especial (Violación de la Invariancia Lorentz y Relatividad Doblemente Especial). En el Capitulo 2, también se desarrolla el uso de la aproximación colineal, una propiedad de las interacciones de muy alta energía que nos permitíra simplificar el calculo de anchuras de desintegración y anchuras eficaces.
En el Capitulo 3 consideramos un modelo de Violación de la Invariancia Lorentz con neutrinos superluminicos. Dicho modelo convierte a los neutrinos en partículas inestables, permitiendo que decaigan mediante la emisión de pares electrón-positrón y neutrino-antineutrino.
Encontramos que considerar este modelo nueva fisica tiene importantes consecuencias en el flujo de neutrinos esperado en la Tierra, concretamente, la aparición de un corte en el espectro, precedido de una pequeña acumulación.
En el Capitulo 4 repetimos este análisis considerando neutrinos producidos durante la propagación de rayos cósmicos de muy alta energía. Encontramos que la existencia de un corte en el espectro puede hacer desaparecer el pico de neutrinos cosmogénicos que uno esperaría
ver como consecuencia de las interacciones de los rayos cósmicos con el Fondo Cósmico de Microondas. Ademas de ello, la acumulación previa al cutoff puede coincidir con el pico producido por las interacciones de los rayos cósmicos con el Fondo de Luz Extragalactico, incrementando la probabilidad de detectarlo.
En el Capitulo 5, estudiamos los efectos de la Relatividad Doblemente Especial en la propagación de rayos gamma. Podemos diferenciar dos implicaciones fenomenológicas diferentes: los efectos sobre el flujo y las anomalías en la diferencia de tiempos vuelo. Referente al primero, hemos considerado el modelo concreto (DCL1) y estudiado sus consecuencias en la transparencia del universo. Como resultado encontramos, respecto del caso de Relatividad Especial, un decremento (asintóticamente constante) de la transparencia a altas energías, precedido de un aumento. En el mismo capitulo también presentamos un modelo complemente general, y compatible con la Localidad Relativa de las interacciones, para la diferencia en tiempos de vuelo entre fotones de alta y baja energías en un espacio-tiempo llano.
Finalmente, en el Capitulo 6 recopilamos y resumimos los resultados mas importantes, limitaciones, y posibles futuras extensiones de este trabajo.
Resumen (otro idioma): The Standard Model of particle physics and General Relativity are the most successful fundamental physics models up today. However, attempts to develop a new model that unifies the knowledge of both and extends their range of validity have been unsuccessful, due to the different role the spacetime plays in each one. In order to construct this model of new physics, experimental feedback that could guide the theoretical developments would be very useful. However, the energies at which such effects clearly manifest are supposed to be of the order of the Planck scale, energies which are beyond the ones we can reach today in our experiments and in the highest energy astrophysical observations. This shows the importance of the research trying to find traces of this new physics at lower energies. The aim of this dissertation is to study possible signs of physics beyond Special Relativity in one of the most favorable scenarios, the physics of very high-energy astroparticles. The fundamental ingredients of this study are presented in Chapters 1 and 2: the different astromessengers (neutrinos, gamma rays and cosmic rays), and the different ways to go beyond Special Relativity (a Violation of the Lorentz Invariance and Doubly Special Relativity). In Chapter 2, we also develop the use of the collinear approximation, a property of very high-energy interactions which allows us to simplify the calculation of decay widths and cross sections. In Chapter 3 we consider a model of Lorentz Invariance Violation with superluminal neutrinos. This model makes neutrinos unstable particles, which are able to decay through electron-positron and neutrino-antineutrino pair emission. We find that considering this model of new physics has relevant consequences on the expected neutrino flux at Earth, namely, the appearance of a cutoff in the spectrum, preceded by a small excess of flux. In Chapter 4 we repeat this analysis considering neutrinos produced during the propagation of very high-energy cosmic rays. We find that the existence of a cutoff in the spectrum can make disappear the cosmogenic neutrino peak that one expects to see as a consequence of cosmic ray interactions with the Cosmic Microwave Background. Moreover, the accumulation previous to the cutoff can coincide with the peak produced by cosmic ray interactions with the Extragalactic Background Light, enhancing its probability of detection. In Chapter 5, we study the effects of Doubly Special Relativity on the propagation of gamma rays. We distinguish between two different phenomenological consequences: effects on the expected gamma ray flux and anomalies in the time of flights. Concerning the first one, we have focused in a particular model (DCL1) and studied its consequences on the transparency of the universe. We find, in comparison with the Special Relativity case, a (asymptotically constant) decrease of the transparency at high energies, preceded by an increase. In the same chapter we also present a general analysis, compatible with the Relative Locality of interactions, for the difference in times of flights between high- and low-energy photons in a flat spacetime. Finally, in Chapter 6 we gather and summarize the most important results, limitations, and possible future extensions of this work.
Pal. clave: física ; física de partículas ; astronomía y astrofísica ; física teórica de altas energías
Titulación: Programa de Doctorado en Física
Plan(es): Plan 488
Área de conocimiento: Ciencias
Nota: Presentado: 23 06 2023
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2023
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Registro creado el 2023-12-21, última modificación el 2023-12-21
