Please use this identifier to cite or link to this item:
https://olympias.lib.uoi.gr/jspui/handle/123456789/27765Full metadata record
| DC Field | Value | Language |
|---|---|---|
| dc.contributor.author | Παπούλιας, Δημήτριος Κ. | el |
| dc.date.accessioned | 2016-12-14T08:54:21Z | - |
| dc.date.available | 2016-12-14T08:54:21Z | - |
| dc.identifier.uri | https://olympias.lib.uoi.gr/jspui/handle/123456789/27765 | - |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.26268/heal.uoi.3326 | - |
| dc.rights | Default License | - |
| dc.subject | Neutral current | en |
| dc.subject | Neutrino processes | en |
| dc.subject | Standard model | en |
| dc.title | Exotic lepton flavour violating processes in the field of nucleus | en |
| dc.title | Εξωτικές αντιδράσεις παραβίασης λεπτονικής γεύσης στο πεδίο του πυρήνα | el |
| heal.type | doctoralThesis | - |
| heal.type.en | Doctoral thesis | en |
| heal.type.el | Διδακτορική διατριβή | el |
| heal.classification | Nuclear structure | en |
| heal.language | en | - |
| heal.access | free | - |
| heal.recordProvider | Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Σχολή Θετικών Επιστημών. Τμήμα Φυσικής | el |
| heal.publicationDate | 2016 | - |
| heal.bibliographicCitation | Βιβλιογράφία : σ. 207-225 | el |
| heal.abstract | The main objective of the present Thesis is to explore the exotic neutralcurrent (NC) neutrino processes, predicted by theories beyond the Standard Model (SM) of the electroweak interactions to take place in the field of nucleons and nuclei. The subject of neutrino non-standard interactions (NSI) plays a leading role in recent studies of lepton flavour violating (LFV) processes, now that the three oscillation in propagation paradigm is put in rather solid grounds. In particular, we concentrate on the vector NSI of neutrino scattering off nuclear systems, detectors of ongoing and designed extremely sensitive experiments searching for LFV. It is, furthermore, shown that within the framework of tensorial neutrino NSI, electromagnetic (EM) neutrino properties are also predicted, which are complementary to distinguish the Dirac or Majorana nature of neutrinos. For the case of neutrino EM interactions a thorough investigation is devoted demonstrating that neutrino-nucleus scattering is a promising probe to search for physics beyond the SM. The first stage of our research involves the development of the mathematical formalism where the relevant NSI operators are parametrised assuming typical phenomenological four-fermion contact interaction Lagrangians. The impact of the nuclear structure properties is studied through the appropriate transformation of the quark-level Lagrangians to the nuclear-level one. The corresponding neutrino-nucleus cross sections are evaluated by employing the nuclear method of the multipole decomposition of the hadronic current, established by Donnelly- Walecka. In addition, the various flavour preserving and flavour changing interaction channels, predicted to occur within NSI, are taken into consideration through the evaluation of the respective matrix elements entering the relevant cross sections. The nuclear physics aspects of these processes are systematically studied in the context of the state-of-the-art quasi-particle random phase approximation (QRPA). Specifically, for the case of coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CENNS), the nuclear ground state is constructed by solving iteratively the Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) equations. This way, realistic strong twonucleon pairing forces are taken into account maximising the reliability of the obtained results. Such nuclear structure corrections improve previous CENNS calculations ignoring the nuclear form factor, by even one order of magnitude. From the experimental physics perspective, for the case of both conventional and exotic neutrino processes, the accuracy of the obtained cross sections is exploited in order to compute with high significance the corresponding convoluted cross sections that represent the signal expected to be recorded by terrestrial nuclear detectors. Furthermore, we evaluate reliably other important experimental observables such as the differential event rates and the number of neutrino scattering events expected to be measured in Supernova (SN), Spallation Neutron Source (SNS) and reactor neutrino experiments. We illustrate that, such measurements may be very sensitive to neutrino-quark NSI or neutrino EM interactions (magnetic moment, mean charge-radius, milli-charge) and could provide more severe constraints as compared to those expected in future neutrino factory experiments. To this end, our study involves extensive calculations for a set of promising target materials throughout the periodic table of nuclides. Focusing on astrophysical (SN) and laboratory (SNS and reactor) neutrino sources as well as dark matter and multipurpose experiments, our results refer to the 20Ne, 40Ar, 76Ge and 132Xe isotopes, i.e. the target nuclei of ongoing and future experiments including the COHERENT, TEXONO, GEMMA and the direct detection of Cold Dark Matter (CDM) experiments. Therefore, this type of calculations is of primary importance for experiments searching forWIMP-nucleus scattering, since CENNS events constitutes an irreducible background. In view of the operation of extremely intense laboratory neutrino fluxes (at the SNS, J-PARC, Fermilab, PSI, etc.), the sensitivity to search for new physics will be largely increased, and, therefore, through CENNS measurements, several open questions (involving neutrino NSI, neutrino magnetic moment, sterile neutrino searches and others) may be answered. Our present results, in conjunction with those expected from sensitive muon-to-electron conversion experiments (Mu2e at Fermilab, COMET at J-PARC), may offer significant contribution to understand the fundamental nature of electroweak interactions in the leptonic sector and to constrain the parameters of beyond the SM Lagrangians. | en |
| heal.abstract | Το αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής εντάσσεται στο χώρο επικάλυψης της πυρηνικής αστροφυσικής, της αστροσωματιδιακής φυσικής και των θεμελιωδών ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων. Κύριος σκοπός της εργασίας αυτής είναι η διερεύνηση των ανοιχτών ερωτημάτων της σύγχρονης έρευνας της φυσικής των νετρίνων, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στη μελέτη των εξωτικών διαδικασιών ουδετέρου-ρεύματος των νετρίνων που λαμβάνουν χώρα στο πεδίο των πυρήνων και των νουκλεονίων. Οι εν λόγω αντιδράσεις προβλέπονται από θεωρίες πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου (Standard Model, SM) των ηλεκτρασθενών αλλη- λεπιδράσεων ενώ παράλληλα αναζητούνται από εξαιρετικής ευαισθησίας πειράματα που λειτουργούν ή σχεδιάστηκαν να λειτουργήσουν στα ανά τον κόσμο μεγάλα Ερευνητικά Κέντρα. Το ζήτημα των μη-συμβατικών αλληλεπιδράσεων (non-standard interactions, NSI) των νετρίνων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη σύγχρονη έρευνα των διαδικασιών παραβίασης λεπτονικής γεύσης (lepton flavour violation, LFV) καθ΄ ότι το φαινόμενο των ταλαντώσεων των νετρίνων, με το οποίο έχει αποδειχθεί η εν λόγω παραβίαση στον λεπτονικό τομέα ουδετέρων σωματίων, έχει τεθεί πλέον σε ισχυρές βάσεις. Οι ανωτέρω αντιδράσεις προβλέπεται επίσης ότι λαμβάνουν χώρα υπό τις ακραίες συνθήκες που επικρατούν σε αστροφυσικό περιβάλλον (π.χ. συνθήκες έκρηξης Υπερκαινοφανούς αστέρα) επιβάλλοντας σημαντικές αλλαγές στα φαινόμενα εξέλιξης ενός Υπερκαινοφανούς κατάρρευσης καρδιάς (core collapse Supernova). Επιπρόσθετα, αναμένεται να παρατηρηθούν από επίγειους πυρηνικούς ανιχνευτές σύγχρονων εργαστηρίων όπως στο Oak Ridge National Lab (πείραμα COHERENT) καθώς και σε πειράματα νετρίνων πυρηνικών αντιδραστήρων ισχύος (πειράματα TEXONO, GEMMA, κλπ.). Πιο συγκεκριμένα, η παρούσα έρευνα επικεντρώνεται στη μελέτη της διανυσματικής συνιστώσας των NSI στη σκέδαση νετρίνων από πυρηνικούς ανιχνευτές σύγχρονων πειραμάτων υψηλής ευαισθησίας, η οποία οδηγεί σε παραβίαση της λεπτονικής γεύσης. Επιπλέον, καταδεικνύεται ότι η τανυστική συνιστώσα NSI των νετρίνων, συνεπάγεται την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών (ΕΜ) ιδιοτήτων των νετρίνων, οι οποίες μπορούν να συμβάλλουν στη διαλεύκανση της Dirac ή Majorana φύσης των νετρίνων. Σχετικά με τις ΕΜ ιδιότητες των νετρίνων, πραγματοποιείται εκτεταμένη μελέτη η οποία μέχρι τώρα έχει αναδείξει την σκέδαση νετρίνου-πυρήνα ως μία πολλά υποσχόμενη διαδικασία διερεύνησης της φυσικής πέρα από το SM. Αρχικά, στην παρούσα εργασία, αναπτύσσεται κατάλληλος φορμαλισμός στον οποίο οι σχετικοί τελεστές των NSI παραμετροποιούνται θεωρώντας φαινομεν- ολογικές Λαγκραντζιανές αλληλεπιδράσεως επαφής τεσσάρων-φερμιονίων (fourfermion contact interaction). Στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής, λαμβάνεται υπόψη η εξάρτηση της ενεργού διατομής σκέδασης από τις ιδιότητες της πυρηνικής δομής στην οποία μεταβαίνουμε μέσω κατάλληλου μετασχηματισμού των σχετικών Λαγκραντζιανών από το επίπεδο των κουάρκς, στο πυρηνικό επίπεδο. Στους λεπτομερειακούς υπολογισμούς των ενεργών διατομών υιοθετείται η μέθοδος της πολυπολικής ανάπτυξης του πυρηνικού αδρονικού ρεύματος (μεθόδος Donnelly- Walecka). Επιπρόσθετα, τα διάφορα κανάλια αλληλεπίδρασης, διατήρησης ή παραβίασης της λεπτονικής γεύσης, των οποίων η ύπαρξη προβλέπεται στο πλαίσιο των NSI, μελετώνται μέσω αντίστοιχων υπολογισμών των πυρηνικών στοιχείων πίνακα που υπεισέρχονται στην ενεργό διατομή της υπό μελέτη αντίδρασης. Η συστηματική μελέτη των πτυχών της πυρηνικής δομής στις ανωτέρω διαδι- κασίες, επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας την μέθοδο της προσέγγισης τυχαίας φάσης με ημι-σωμάτια (quasi-particle random phase approximation, QRPA). Συγ- κεκριμένα, στην περίπτωση του συναφούς καναλιού ελαστικής σκέδασης νετρίνου- πυρήνα (coherent elastic neutrino-nucleus scattering, CENNS), η βασική πυρηνική κατάσταση κατασκευάζεται μέσω της επαναληπτικής επίλυσης των εξισώσεων Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Κατά συνέπεια λαμβάνεται υπόψη με ρεαλ- ιστικό τρόπο η ισχυρή αλληλεπίδραση ζεύγους δύο-νουκλεονίων το οποίο οδηγεί σε ενίσχυση της αξιοπιστίας των ληφθέντων αποτελεσμάτων. Τέτοιου είδους υπο- λογισμοί, βασιζόμενοι στη λεπτομέρεια της πυρηνικής δομής, οδηγούν σε διαφορές έως και μίας τάξης μεγέθους των παρόντων αποτελεσμάτων σε σύγκριση με προ- ηγούμενα στα οποία αγνοήθηκε πλήρως η εξάρτηση από τον πυρηνικό παράγοντα δομής. Από πειραματική έποψη, στην περίπτωση των συμβατικών και εξωτικών διαδικασιών νετρίνου-πυρήνα, η ακρίβεια των ληφθέντων ενεργών διατομών αξι- οποιείται για τον υπολογισμό αντίστοιχων αναδιπλωμένων ενεργών διατομών, οι οποίες προσομοιάζουν το αναμενόμενο σήμα στους επίγειους πυρηνικούς ανιχνευτές. Επιπρόσθετα, στην παρούσα έρευνα πραγματοποιούνται ακριβείς υπολογισμοί σχετικοί με άλλες πολύ σημαντικές πειραματικές ποσότητες όπως, ο διαφορικός ρυθμός γεγονότων και ο ολικός αριθμός γεγονότων που αναμένεται να ανιχνευθούν σε πειράματα ανίχνευσης Υπερκαινοφανών νετρίνων, SNS νετρίνων καθώς και σε πειράματα νετρίνων αντιδραστήρων ισχύος (reactor neutrino experiments). Υπο- γραμμίζουμε ότι μετρήσεις τέτοιου είδους ενδέχεται να έχουν υψηλή ευαισθησία σε αλληλεπιδράσεις νετρίνου-κουάρκ ή ΕΜ φύσεως αλληλεπιδράσεις των νετρίνων (μαγ- νητική ροπή, μέση ακτίνα φορτίου, χιλιοστο-φορτίο) και κατά συνέπεια αναμένεται να θέσει αυστηρότερα όρια στις προαναφερθείσες εξωτικές ιδιότητες των νετρίνων σε σχέση με μελλοντικά πειράματα που θα διεξαχθούν στα neutrino factories. Στην κατεύθυνση αυτή, η παρούσα μελέτη περιλαμβάνει υπολογισμούς οι οποίοι αναφέρονται σε διάφορα πυρηνικά συστήματα που καλύπτουν όλο το φάσμα του περιοδικού πίνακα ισοτόπων. Η επικείμενη λειτουργία εξαιρετικά ισχυρών δεσμών εργαστηριακών νετρίνων (στα SNS, J-PARC, Fermilab, PSI, κλπ.), προϋποθέτει ότι, η ευαισθησία στην αναζήτηση νέας φυσικής θα αυξηθεί δραματικά και συνεπώς μέσω μετρήσεων της CENNS, πολλά ανοιχτά ζητήματα (όπως NSI νετρίνου, μαγνητική ροπή νετρίνου, η ύπαρξη sterile νετρίνο και άλλα) αναμένεται να διαλευκανθούν. Τα παρόντα απο- τελέσματα, σε συνδυασμό με εκείνα που αναμένονται από τα πειράματα έρευνας της αντίδρασης μετατροπής μιονίου σε ηλεκτρόνιο, αφενός θα συνεισφέρουν σημαντικά στην κατανόηση των θεμελιωδών ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων στον λεπτονικό τομέα και αφετέρου στον περιορισμό των ορίων των παραμέτρων των Λαγκραντ- ζιανών διάφορων μοντέλων που προχωρούν πέρα από το SM. Η ύλη της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής οργανώνεται ως εξής: ΄Επειτα από μια γενική εισαγωγή στα ανωτέρω ερευνητικά θέματα (Κεφάλαιο 1), το Κεφάλαιο 2, περιλαμβάνει το θεωρητικό υπόβαθρο της Διατριβής από την άποψη της σωματιδιακής φυσικής. Αρχικά, παρατίθεται μια σύντομη επισκόπηση του Καθιερωμένου Προτύπου των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων εστιάζοντας στις θεμελιώδεις διαδικασίες των νετρίνων με πολύπλοκους πυρήνες. Για λόγους πληρότητας, συζητούνται επιπλέον οι βασικές πτυχές των SM και NSI αντιδράσεων νετρίνου-ηλεκτρονίου ουδετέρου- και φορτισμένου-ρεύματος. Επιπρόσθετα παρουσιάζεται ο κύριος φορμαλισμός για την περιγραφή της σκέδασης νετρίνου-νουκλεονίου ουδετέρου-ρεύματος στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Προτύπου καθώς και η απαραίτητη επέκτασή του ώστε να καταστεί δυνατή η περι- γραφή των αντίστοιχων μη-συμβατικών αλληλεπιδράσεων νετρίνου-νουκλεονίου. Στο Κεφάλαιο 3, αρχικά δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στις μεθόδους μελέτης της δομής σύνθετων πυρήνων (με μαζικό αριθμό A > 12) μέσω μίας εκτεταμένης περι- γραφής των σύγχρονων πυρηνικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται. Η εκτενής μελέτη της δομής των πυρήνων που επιλέχθηκαν στην παρούσα έρευνα (βλέπε Κεφάλαια 4-8) από την άποψη της θεωρητικής πυρηνικής φυσικής γίνεται στο πλαίσιο μιας εκλέπτυνσης της QRPA και αποτελούν το βασικό θεωρητικό υπόβαθρο των Κε- φαλαίων αυτών. Στην περίπτωση της CENNS, η βασική πυρηνική κατάσταση κατα- σκευάζεται μέσω της επαναληπτικής επίλυσης των εξισώσεων BCS. Τοιουτοτρόπως λαμβάνεται υπόψη με ρεαλιστικό τρόπο η ισχυρή αλληλεπίδραση ζεύγους δύο- νουκλεονίων θεωρώντας το δυναμικό (ανταλλαγής ενός-μεσονίου) Bonn C-D, το οποίο οδηγεί σε ενίσχυση της αξιοπιστίας των ληφθέντων αποτελεσμάτων. Στη συνέχεια, μέσω υπολογισμών πυρηνικής δομής της μεθόδου που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής (σε γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN 77), παρουσιάζονται αποτελέσματα πυρηνικών παραγόντων δομής (nuclear form factors). Ο έλεγχος της ανωτέρω μεθόδου και της ακρίβειας των αποτελεσμάτων, πραγμα- τοποιήθηκε μέσω ανάπτυξης ειδικού κώδικα (με χρήση του πακέτου MATHEMATνα θέσει αυστηρότερα όρια στις προαναφερθείσες εξωτικές ιδιότητες των νετρίνων σε σχέση με μελλοντικά πειράματα που θα διεξαχθούν στα neutrino factories. Στην κατεύθυνση αυτή, η παρούσα μελέτη περιλαμβάνει υπολογισμούς οι οποίοι αναφέρονται σε διάφορα πυρηνικά συστήματα που καλύπτουν όλο το φάσμα του περιοδικού πίνακα ισοτόπων. Η επικείμενη λειτουργία εξαιρετικά ισχυρών δεσμών εργαστηριακών νετρίνων (στα SNS, J-PARC, Fermilab, PSI, κλπ.), προϋποθέτει ότι, η ευαισθησία στην αναζήτηση νέας φυσικής θα αυξηθεί δραματικά και συνεπώς μέσω μετρήσεων της CENNS, πολλά ανοιχτά ζητήματα (όπως NSI νετρίνου, μαγνητική ροπή νετρίνου, η ύπαρξη sterile νετρίνο και άλλα) αναμένεται να διαλευκανθούν. Τα παρόντα απο- τελέσματα, σε συνδυασμό με εκείνα που αναμένονται από τα πειράματα έρευνας της αντίδρασης μετατροπής μιονίου σε ηλεκτρόνιο, αφενός θα συνεισφέρουν σημαντικά στην κατανόηση των θεμελιωδών ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων στον λεπτονικό τομέα και αφετέρου στον περιορισμό των ορίων των παραμέτρων των Λαγκραντ- ζιανών διάφορων μοντέλων που προχωρούν πέρα από το SM. Η ύλη της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής οργανώνεται ως εξής: ΄Επειτα από μια γενική εισαγωγή στα ανωτέρω ερευνητικά θέματα (Κεφάλαιο 1), το Κεφάλαιο 2, περιλαμβάνει το θεωρητικό υπόβαθρο της Διατριβής από την άποψη της σωματιδιακής φυσικής. Αρχικά, παρατίθεται μια σύντομη επισκόπηση του Καθιερωμένου Προτύπου των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων εστιάζοντας στις θεμελιώδεις διαδικασίες των νετρίνων με πολύπλοκους πυρήνες. Για λόγους πληρότητας, συζητούνται επιπλέον οι βασικές πτυχές των SM και NSI αντιδράσεων νετρίνου-ηλεκτρονίου ουδετέρου- και φορτισμένου-ρεύματος. Επιπρόσθετα παρουσιάζεται ο κύριος φορμαλισμός για την περιγραφή της σκέδασης νετρίνου-νουκλεονίου ουδετέρου-ρεύματος στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Προτύπου καθώς και η απαραίτητη επέκτασή του ώστε να καταστεί δυνατή η περι- γραφή των αντίστοιχων μη-συμβατικών αλληλεπιδράσεων νετρίνου-νουκλεονίου. Στο Κεφάλαιο 3, αρχικά δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στις μεθόδους μελέτης της δομής σύνθετων πυρήνων (με μαζικό αριθμό A > 12) μέσω μίας εκτεταμένης περι- γραφής των σύγχρονων πυρηνικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται. Η εκτενής μελέτη της δομής των πυρήνων που επιλέχθηκαν στην παρούσα έρευνα (βλέπε Κεφάλαια 4-8) από την άποψη της θεωρητικής πυρηνικής φυσικής γίνεται στο πλαίσιο μιας εκλέπτυνσης της QRPA και αποτελούν το βασικό θεωρητικό υπόβαθρο των Κε- φαλαίων αυτών. Στην περίπτωση της CENNS, η βασική πυρηνική κατάσταση κατα- σκευάζεται μέσω της επαναληπτικής επίλυσης των εξισώσεων BCS. Τοιουτοτρόπως λαμβάνεται υπόψη με ρεαλιστικό τρόπο η ισχυρή αλληλεπίδραση ζεύγους δύο- νουκλεονίων θεωρώντας το δυναμικό (ανταλλαγής ενός-μεσονίου) Bonn C-D, το οποίο οδηγεί σε ενίσχυση της αξιοπιστίας των ληφθέντων αποτελεσμάτων. Στη συνέχεια, μέσω υπολογισμών πυρηνικής δομής της μεθόδου που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής (σε γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN 77), παρουσιάζονται αποτελέσματα πυρηνικών παραγόντων δομής (nuclear form factors). Ο έλεγχος της ανωτέρω μεθόδου και της ακρίβειας των αποτελεσμάτων, πραγμα- τοποιήθηκε μέσω ανάπτυξης ειδικού κώδικα (με χρήση του πακέτου MATHEMATνα θέσει αυστηρότερα όρια στις προαναφερθείσες εξωτικές ιδιότητες των νετρίνων σε σχέση με μελλοντικά πειράματα που θα διεξαχθούν στα neutrino factories. Στην κατεύθυνση αυτή, η παρούσα μελέτη περιλαμβάνει υπολογισμούς οι οποίοι αναφέρονται σε διάφορα πυρηνικά συστήματα που καλύπτουν όλο το φάσμα του περιοδικού πίνακα ισοτόπων. Η επικείμενη λειτουργία εξαιρετικά ισχυρών δεσμών εργαστηριακών νετρίνων (στα SNS, J-PARC, Fermilab, PSI, κλπ.), προϋποθέτει ότι, η ευαισθησία στην αναζήτηση νέας φυσικής θα αυξηθεί δραματικά και συνεπώς μέσω μετρήσεων της CENNS, πολλά ανοιχτά ζητήματα (όπως NSI νετρίνου, μαγνητική ροπή νετρίνου, η ύπαρξη sterile νετρίνο και άλλα) αναμένεται να διαλευκανθούν. Τα παρόντα απο- τελέσματα, σε συνδυασμό με εκείνα που αναμένονται από τα πειράματα έρευνας της αντίδρασης μετατροπής μιονίου σε ηλεκτρόνιο, αφενός θα συνεισφέρουν σημαντικά στην κατανόηση των θεμελιωδών ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων στον λεπτονικό τομέα και αφετέρου στον περιορισμό των ορίων των παραμέτρων των Λαγκραντ- ζιανών διάφορων μοντέλων που προχωρούν πέρα από το SM. Η ύλη της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής οργανώνεται ως εξής: ΄Επειτα από μια γενική εισαγωγή στα ανωτέρω ερευνητικά θέματα (Κεφάλαιο 1), το Κεφάλαιο 2, περιλαμβάνει το θεωρητικό υπόβαθρο της Διατριβής από την άποψη της σωματιδιακής φυσικής. Αρχικά, παρατίθεται μια σύντομη επισκόπηση του Καθιερωμένου Προτύπου των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων εστιάζοντας στις θεμελιώδεις διαδικασίες των νετρίνων με πολύπλοκους πυρήνες. Για λόγους πληρότητας, συζητούνται επιπλέον οι βασικές πτυχές των SM και NSI αντιδράσεων νετρίνου-ηλεκτρονίου ουδετέρου- και φορτισμένου-ρεύματος. Επιπρόσθετα παρουσιάζεται ο κύριος φορμαλισμός για την περιγραφή της σκέδασης νετρίνου-νουκλεονίου ουδετέρου-ρεύματος στο πλαίσιο του Καθιερωμένου Προτύπου καθώς και η απαραίτητη επέκτασή του ώστε να καταστεί δυνατή η περι- γραφή των αντίστοιχων μη-συμβατικών αλληλεπιδράσεων νετρίνου-νουκλεονίου. Στο Κεφάλαιο 3, αρχικά δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στις μεθόδους μελέτης της δομής σύνθετων πυρήνων (με μαζικό αριθμό A > 12) μέσω μίας εκτεταμένης περι- γραφής των σύγχρονων πυρηνικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται. Η εκτενής μελέτη της δομής των πυρήνων που επιλέχθηκαν στην παρούσα έρευνα (βλέπε Κεφάλαια 4-8) από την άποψη της θεωρητικής πυρηνικής φυσικής γίνεται στο πλαίσιο μιας εκλέπτυνσης της QRPA και αποτελούν το βασικό θεωρητικό υπόβαθρο των Κε- φαλαίων αυτών. Στην περίπτωση της CENNS, η βασική πυρηνική κατάσταση κατα- σκευάζεται μέσω της επαναληπτικής επίλυσης των εξισώσεων BCS. Τοιουτοτρόπως λαμβάνεται υπόψη με ρεαλιστικό τρόπο η ισχυρή αλληλεπίδραση ζεύγους δύο- νουκλεονίων θεωρώντας το δυναμικό (ανταλλαγής ενός-μεσονίου) Bonn C-D, το οποίο οδηγεί σε ενίσχυση της αξιοπιστίας των ληφθέντων αποτελεσμάτων. Στη συνέχεια, μέσω υπολογισμών πυρηνικής δομής της μεθόδου που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής (σε γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN 77), παρουσιάζονται αποτελέσματα πυρηνικών παραγόντων δομής (nuclear form factors). Ο έλεγχος της ανωτέρω μεθόδου και της ακρίβειας των αποτελεσμάτων, πραγμα- τοποιήθηκε μέσω ανάπτυξης ειδικού κώδικα (με χρήση του πακέτου MATHEMATICA) ο οποίος υλοποιεί κατάλληλη επεξεργασία πειραματικών δεδομένων σκέδασης ηλεκτρονίου-ηλεκτρονίου και επιστρέφει τους αντίστοιχους παράγοντες δομής για άμεση σύγκριση. Στην κατεύθυνση αυτή, οι παράγοντες δομής μελετούνται περαιτέρω θεωρώντας το πυρηνικό μοντέλο φλοιών (nuclear shell model) καθώς και μέσω μιας εκλέπτυνσης της μεθόδου των μερικών πιθανοτήτων κατάλληψης (fractional occupation probabilities) των νουκλεονικών επιπέδων. Στο Κεφάλαιο 4, με βάση τη θεωρία που ήδη περιγράφηκε στα Κεφάλαια 2 και 3, στο πλαίσιο του SM πραγματοποιείται λεπτομερής μελέτη της CENNS σε μία ομάδα πυρηνικών ισοτόπων που καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα του Περιοδικού Πίνακα των νουκλεϊδίων. Στους λεπτομερειακούς υπολογισμούς των ενεργών δι- ατομών υιοθετείται η πυρηνική μέθοδος της πολυπολικής ανάπτυξης του αδρονικού ρεύματος των Donnelly-Walecka, η ακρίβεια της οποίας αξιοποιείται στον αντίστοιχο υπολογισμό των αναδιπλωμένων ενεργών διατομών, οι οποίες προσομοιάζουν το αναμενόμενο σήμα ανίχνευσης των υπό συζήτηση αντιδράσεων στους επίγειους πυρηνικούς ανιχνευτές. Εστιάζοντας σε πειράματα νετρίνων, αστροφυσικών (SN) και εργαστηριακών (SNS) πηγών (αποτελούν ταυτόχρονα και πειράματα ανίχνευσης της σκοτεινής ύλης), δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στη χρήση των πυρηνικών συστημάτων 20Ne, 40Ar, 76Ge και 132Xe. Τα ανωτέρω ισότοπα αποτελούν τα κύρια υλικά των ανιχνευτών του πρόσφατα σχεδιασθέντος πειράματος COHERENT που αποσκοπεί στην έρευνα της CENNS, καθώς και στην άμεση ανίχνευση της Ψυχρής Σκοτεινής ΄Υλης (CDM). Οι διορθώσεις στον υπολογισμό της πρωτογενούς ενεργού διατομής, οι οποίες προέρχονται από τα φαινόμενα της πυρηνικής φυσικής (βλέπε Κεφάλαιο 3) κρίνονται πολύ σημαντικές καθώς οδηγούν σε διαφορές άνω του 30% στα ληφθέντα αποτελέσματα. Κατά τον τρόπο αυτόν, για τα προαναφερθέντα πειράματα, παρουσιάζονται με μεγάλη ακρίβεια ο διαφορικός και ο ολικός ρυθμός γεγονότων που αναμένεται να ανιχνευθούν. Στο Κεφάλαιο 5, επεκτείνεται η μέθοδος που αναπτύχθηκε στο Κεφάλαιο 4 και μελετάται η συνεισφορά της διανυσματικής συνιστώσας των μη-συμβατικών αλληλεπιδράσεων (NSI) στην ενεργό διατομή νετρίνου-πυρήνα. Οι σχετικοί τελεστές των NSI παραμετροποιούνται θεωρώντας φαινομενολογικές Λαγκραντ- ζιανές αλληλεπιδράσεων επαφής τεσσάρων-φερμιονίων. Στο πλαίσιο της παρούσας Διατριβής, μελετάται εκτενώς η εξάρτηση από τις ιδιότητες της πυρηνικής δομής, μεταβαίνοντας μέσω κατάλληλου μετασχηματισμού των σχετικών Λαγκραντζιανών από το επίπεδο των κουάρκς, στο πυρηνικό επίπεδο. Επιπρόσθετα, τα διάφορα κανάλια διατήρησης ή παραβίασης της λεπτονικής γεύσης, η ύπαρξη των οποίων προβλέπεται στο πλαίσιο των NSI, μελετώνται μέσω υπολογισμών των αντίστοιχων πυρηνικών στοιχείων πίνακα που υπεισέρχονται στην ενεργό διατομή της εκάστοτε μελετούμενης αντίδρασης. Για τους επιμέρους υπολογισμούς (σε αναλογία με το Κεφάλαιο 4) χρησιμοποιήθηκαν ως πυρήνες-στόχοι τα 20Ne, 40Ar, 76Ge και 132Xe για την ανάλυση των εξωτικών διαδικασιών νετρίνου-πυρήνα στο πείραμα COHERENT. Επιπρόσθετα, μελετούνται οι (διαδικασίες υποβάθρου) NSI Υπερκαιν- οφανών νετρίνων με τα πυρηνικά συστήματα των 27Al και 48Ti, που επιλέχθηκαν ως ανιχνευτές στα μελλοντικά πειράματα αναζήτησης γεγονότων της εξωτικής αντίδρασης της μετατροπής μιονίου σε ηλεκτρόνιο (μ− → e− conversion) όπως το Mu2e στο Fermilab, και το COMET στο J-PARC. Εκμεταλευόμενοι την εξαιρετική ευαισθησία των πειραμάτων αυτών, κατέστη δυνατό να θέσουμε νέα άνω όρια για μερικές από τις παραμέτρους που χαρακτηρίζουν την ισχύ της NSI αλληλεπίδρασης. Στο Κεφάλαιο 6, διερευνάται στο πλαίσιο των τανυστικών NSI αλληλεπιδράσεων των νετρίνων, η ύπαρξη ανιχνεύσιμων ηλεκτρομαγνητικών (ΕΜ) ιδιοτήτων των νετρίνων. Παρουσιάζονται και συζητούνται αναλυτικά οι προκύπτουσες τανυστικές NSI ενεργές διατομές καθώς και τα σχετικά πυρηνικά στοιχεία πίνακα. Επιπρόσθετα, διερευνώνται εκτενώς οι φαινομενολογικές συνέπειες της εν λόγω θεωρίας που σχετίζονται με ενδιαφέρουσες φυσικές ποσότητες όπως η μαγνητική ροπή (magnetic moment) και το χιλιοστο-φορτίο (milli-charge) του νετρίνου. Για τον σκοπό αυτό, μέσω της ευρέως χρησιμοποιούμενης στατιστικής μεθόδου χ2 (chi-square fit), αναλύονται τα ληφθέντα αποτελέσματα που αφορούν τα ισότοπα 28Si και 76Ge για τους πυρηνικούς ανιχνευτές σε πειράματα νετρίνων αντιδραστήρων ισχύος, όπως τα TEXONO και GEMMA. Από την μελέτη αυτή, εξάγεται το συμπέρασμα ότι τα ανωτέρω πειράματα έχουν υψηλή ευαισθησία σε διαδικασίες που προβλέπονται στο πλαίσιο των τανυστικών NSI και επιπλέον η παρούσα έρευνα οδηγεί σε αυστηρότερα άνω όρια για τις παραμέτρους που υπεισέρχονται στις αντίστοιχες Λαγκραντζιανές της θεωρίας. Κατά συνέπεια, προϋποθέτονται βελτιωμένες τιμές στα άνω όρια για τη μαγνητική ροπή και το χιλιοστο-φορτίο του νετρίνου, βελτιώνοντας προηγούμενα αποτελέσματα. Στο Κεφάλαιο 7, πραγματοποιείται διεξοδική έρευνα των ΕΜ ιδιοτήτων των νετρίνων τύπου Majorana (το σωμάτιο ν συμπίπτει με το αντισωμάτιο ¯ν) μέσω της CENNS. Εκτιμάται η αποδοτικότητα των πειραμάτων COHERENT και TEXONO ως προς την ανίχνευση αλληλεπιδράσεων ΕΜ φύσεως λόγω μαγνητικών ροπών νετρίνου μιονίου (νμ) και αντινετρίνου ηλεκτρονίου (¯νe) αντίστοιχα. Τα απο- τελέσματα της μελέτης μας καθιστούν πρόδηλη τη δυναμική των προαναφερθέντων πειραμάτων, ως προς την εύρεση νέας φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο μέσω της ανίχνευσης ΕΜ σημάτων νετρίνων. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται αυσ- τηρότερα άνω όρια για τις ποσότητες μνμ και μ¯νe , βελτιώνοντας τα αντίστοιχα υπάρχοντα στην μέχρι τώρα διεθνή Βιβλιογραφία κατά 50%. Επιπρόσθετα ποσοτικοποιείται η ευαισθησία των προαναφερθέντων πειραμάτων αναφορικά με την μέση ακτίνα φορτίου των νετρίνων (neutrino mean charge radius). Στην περίπτωση αυτή, η βελτίωση ανέρχεται σε έως και μία τάξη μεγέθους. Επιπρόσθετα, εξετάζεται η προοπτική πραγματοποίησης ελέγχων ακριβείας των βασικών παραμέτρων του Καθιερωμένου Προτύπου. Εξάγεται το συμπέρασμα ότι μέσω της μέτρησης της σκέδασης νετρίνου-πυρήνα χαμηλών ενεργειών, καθίσταται δυνατός ο αυσ- τηρός προσδιορισμός της γωνίας ανάμιξης των ηλεκτρασθενών αλληλεπιδράσεων (electroweak mixing angle, θW). Στο Κεφάλαιο 8, μελετάται η δυνατότητα ανίχνευσης στείρων (sterile) νετρίνων μέσω της διαδικασίας σκέδασης νετρίνου-πυρήνα στα πειράματα TEXONO και COHERENT καθώς και η προοπτική μέτρησης των αντίστοιχων παραμέτρων ανάμιξης, χρησιμοποιώντας εξαιρετικά ευαίσθητους πυρηνικούς ανιχνευτές 76Ge χαμηλού κατωφλίου ενέργειας. Εστιάζοντας στο μοντέλο (3+1) των sterile νετρίνων, τα απο- τελέσματα που προέκυψαν καταδεικνύουν την CENNS ως ένα πολύτιμο εργαλείο στην έρευνα του πεδίου των ταλαντώσεων των νετρίνων σε εργαστηριακό επίπεδο. Με χρήση της μεθόδου που περιγράφηκε στα προηγούμενα Κεφάλαια, μέσω στατ- ιστικής ανάλυσης των υπό μελέτη πειραμάτων, παρουσιάζονται οι σχετικές καμπύλες αποκλεισμού (exclusion curves) για τα επίπεδα (sin2 2θee, m2 14), (sin2 2θμμ, m2 14) και (sin2 2θee, m2 14). Επιπλέον, πραγματοποιείται μία σύντομη περιγραφή των φαιν- ομενολογικών συνεπειών των σχετικών παραμέτρων ανάμιξης στην απλή διάσπαση- βήτα καθώς επίσης και στη διπλή διάσπαση-βήτα χωρίς νετρίνα. Οι ανωτέρω υπ- ολογισμοί είναι χρήσιμοι για πειράματα που αναζητούν γεγονότα προερχόμενα από αντιδράσεις WIMP-πυρήνα, δεδομένου ότι τα CENNS αποτελούν αναπόφευκτα γε- γονότα υποβάθρου. Τα σημαντικότερα συμπεράσματα που εξήχθησαν από την έρευνα που πραγμα- τοποιήθηκε στο πλαίσιο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής συνοψίζονται στο Κεφάλαιο 9. Επιπλέον παρατίθενται οι βασικές προοπτικές επέκτασης και εξέλιξης των υπό μελέτη θεωριών, που ενθαρρύνονται από την έκβαση της παρούσας ερ- γασίας, περιλαμβάνοντας ενδιαφέροντα ανοιχτά θέματα του συναφούς αντικειμένου της εκπονηθείσας έρευνας. Κλείνοντας, στα Παραρτήματα περιλαμβάνεται μια συνοπτική περιγραφή των συμβάσεων που υιοθετήθηκαν στην εργασία και συζητούνται οι απαραίτητες συμπληρωματικές πληροφορίες όπου κρίνεται απαραίτητο. Τέλος, παρατίθεται μία σύγχρονη και εκτενής Βιβλιογραφία η οποία αποτέλεσε το βασικό υπόβαθρο καθώς και το κίνητρο της Διδακτορικής Διατριβής. | el |
| heal.advisorName | Κοσμάς, Θεοχάρης | el |
| heal.committeeMemberName | Κοσμάς, Θεοχάρης | el |
| heal.committeeMemberName | Λεοντάρης, Γεώργιος | el |
| heal.committeeMemberName | Valle, Jose W.F. | en |
| heal.committeeMemberName | Περιβολαρόπουλος, Λέανδρος | el |
| heal.committeeMemberName | Βλαστού-Ζάνη, Ρόζα | el |
| heal.committeeMemberName | Μπονάτσος, Διονύσιος | el |
| heal.committeeMemberName | Σταυρόπουλος, Γεώργιος | el |
| heal.academicPublisher | Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Σχολή Θετικών Επιστημών. Τμήμα Φυσικής | el |
| heal.academicPublisherID | uoi | - |
| heal.numberOfPages | 225 σ. | - |
| heal.fullTextAvailability | true | - |
| Appears in Collections: | Διδακτορικές Διατριβές - ΦΥΣ | |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Δ.Δ. ΠΑΠΟΥΛΙΑΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ 2016.pdf | 4.38 MB | Adobe PDF | View/Open |
This item is licensed under a Creative Commons License
