Neutrino oscillations in Gallium and reactor experiments and cosmological effects of a light sterile neutrino
Oscillations de neutrinos dans les expériences de gallium et des réacteurs et des effets cosmologiques d'un neutrino stérile lumière.
Résumé
Neutrino oscillations is a very well studied phenomenon and the observations from Solar, very-long-baseline Reactor, Atmospheric and Accelerator neutrino oscillation experiments give very robust evidence of three-neutrino mixing. On the other hand, some experimental data have shown anomalies that could be interpreted as indication of exotic neutrino physics beyond three-neutrino mixing. Furthermore, from a cosmological point of view, the possibility of extra light species contributing as a subdominant hot (or warm) component of the Universe is still interesting. In the first part of this Thesis, we focused on the anomaly observed in the Gallium radioactive source experiments. These experiments were done to test the Gallium solar neutrino detectors GALLEX and SAGE, by measuring the electron neutrino flux produced by intense artificial radioactive sources placed inside the detectors. The measured number of events was smaller than the expected one. We interpreted this anomaly as a possible indication of the disappearance of electron neutrinos and, in the effective framework of two-neutrino mixing, we obtained sin2 2Theta > 0.03 and Deltam2 > 0.1 eV2. We also studied the compatibility of this result with the data of the Bugey and Chooz reactor antineutrino disappearance experiments. We found that the Bugey data present a hint of neutrino oscillations with 0.02 < sin2 2Theta < 0.07 and Deltam2 ≈ 1.95 eV2, which is compatible with the Gallium allowed region of the mixing parameters. Then, combining the data of Bugey and Chooz, the data of Gallium and Bugey, and the data of Gallium, Bugey and Chooz, we found that this hint persists, with an acceptable compatibility of the experimental data. Furthermore, we analyzed the experimental data of the I.L.L., S.R.S, and Gösgen nuclear Reactor experiments. We obtained a good fit of the I.L.L. data, showing 1 and 2Sigma allowed regions in the oscillation parameters space. However, the combination of I.L.L. data with the Bugey data showed a very low compatibility, so we did not use the I.L.L. data for additional analyses. Our fit of the S.R.S. experiment gave very small values of the goodness-of-fit, indicating that the data are incompatible with the oscillations hypothesis, as well as with the no oscillations hypothesis. We do not have any explanation for this result. From the analysis of the G¨osgen experiment, we obtained upper limits for the mixing parameters, excluding the region with sin2 2Theta ≥ 0.3 and Deltam ≥ 0.05 eV2 at 3Sigma C.L.. With the combination of these data with those of Gallium, Bugey and Chooz, we found that the hint of neutrino oscillations persists with 0.03 < sin2 2Theta < 0.07 and Deltam2 ≈ 1.93 eV2, with a good compatibility of the data. However, the no oscillations hypothesis cannot be excluded. Motivated by these results, in the second part of this work we studied cosmological constrains on a light non-thermal sterile neutrino. We fitted up-to-date cosmological data with an extended LCDM model, including light relics with a mass in the range 0.1-10 eV. We obtained constrains on the current density and velocity dispersion of those relics, as well as constrains on their mass, assuming that they consist either of early decoupled thermal relics, or of non-resonantly produced sterile neutrinos. Our results are useful to constrain particle-motivated models with three active neutrinos and one extra light species. We got, for instance, that at the 3Sigma confidence level, a sterile neutrino with mass ms = 2 eV can be accommodated with the data provided that it is thermally distributed with Ts/Tid . 0.8 (with Tid the temperature of neutrinos in the instantaneous decoupling limit), or is non-resonantly produced with DeltaNeff . 0.5. The bounds become dramatically tighter when the mass increases. For ms . 0.9 eV and at the same confidence level, the data is still compatible with a standard thermalized neutrino.
Neutrino oscillations est trés bien étudié le phénoméne et des observations de Solar, trés-long-base de référence du réacteur, l'atmosphére et d'accélérateur à l'oscillation des neutrinos expériences trés robuste donner la preuve de trois mélange des neutrinos. D'autre part, certaines données expérimentales ont montré des anomalies qui pourraient être interprétées comme indication de la physique des neutrinos exotique au-delà de trois mélange des neutrinos. En outre, à partir d'un point de vue cosmologiques, la possibilité déspéces extra léger comme une contribution subdominant chaud de l'Univers est toujours intéressant. Dans la premiére partie de cette thése, nous nous sommes concentrs sur l'anomalie observée dans le Gallium source radioactive expériences. Ces expériences ont été réalisées pour tester la Gallium détecteurs de neutrinos solaires GALLEX et SAGE, en mesurant le flux de neutrinos d'électrons produit par une intense des sources radioactives artificielles placées à l'intérieur de détecteurs. Le mesurée certain nombre d'événements a été inférieur à celui attendu. Nous avons interprété cette anomalie comme une indication possible de la disparition de neutrinos et d'électrons, dans le cadre efficace de deux de mélange des neutrinos, nous avons obtenu sin2 2Theta > 0.03 et Deltam2 > 0.1 eV2. Nous avons également étudié la compatibilité de ce rsultat avec les donnes de le réacteur Bugey et de Chooz antineutrino disparition expériences. Nous avons constaté que les données Bugey présente un indice d'oscillations de neutrinos 'a 0.02 < sin2 2Theta < 0.07 et Deltam2 ≈ 1.95 eV2, qui est compatible avec le permis de Gallium de la region paramtres de mixage. Puis, en combinant les données de Bugey et de Chooz, les données de Gallium et de Bugey, et les données de Gallium, le Bugey et de Chooz, nous avons constaté que ce soup¸con persiste, avec une certaine compatibilité des données expérimentales. En outre, nous avons analysé les données expérimentales de l'ILL, SRS, Gösgen et expériences réacteur nucléaire. Nous avons obtenu un bon ajustement de la I.L.L. données, en montrant 1 et 2Sigma permis régions de l'espace des paramétres d'oscillation. Toutefois, la combinaison de I.L.L. données avec le Bugey les données ont révélé un trés faible compatibilité, si nous n'avons pas utilisé l'ILL données pour les analyzes supplémentaires. Notre ajustement de la S.R.S. expérience a donn de trés petites valeurs de la qualité d'ajustement (goodness-of-fit), ce qui indique que les données sont incompatibles avec l'hypothése d'oscillations, ainsi que les oscillations aucune hypothése. Nous n'avons pas d'explication à ce résultat. De l'analyze de la Gösgen expérience, nous avons obtenu des limites supérieures pour les paramétres de mélange, à l'exclusion de la region avec sin2 2Theta ≥ 0.3 et Deltam ≥ 0.05 eV2 à 3Sigma C.L.. Grâce â la combinaison de ces données avec celles de Gallium, le Bugey et de Chooz, nous avons constaté que l'indice des oscillations de neutrinos persiste â 0.03 < sin2 2Theta < 0.07 et Deltam2 ≈ 1.93 eV2, avec une bonne compatibilité des données. Toutefois, les oscillations aucune hypothése ne peut être exclue. Motivé par ces résultats, dans la deuxiéme partie de ce travail nous avons étudié contraintes cosmologiques sur une lumiére non-thermique neutrino stérile. Nous aménagées--la date des données cosmologiques avec une longue LCDM, y compris en lumiére les vestiges d'une masse dans la gamme 0.1-10 eV. Nous avons obtenu des contraintes sur la densité de courant et de la vitesse de dispersion de ces reliques, ainsi que des contraintes sur leur masse, à supposer qu'elles consistent soit découplé de la petite thermique des reliques, ou de non-resonantly produit stérile neutrinos. Nos résultats sont utiles pour peser sur des particules-motivés avec trois modéles de neutrinos actifs et un trés léger espéces.
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