Heavy neutrino production and decay at DUNE Near Detector

Abstract

En la presente tesis se estudia el potencial del DUNE Near Detector (DUNEND) para establecer límites a neutrinos pesados (HNL). Esto es realizado a través de un estudio de cómo los HNL afectan las tasas de producción y las distribuciones angulares de los neutrinos activos. Se demuestra que la producción de HNL en DUNE produce un déficit de eventos de corriente cargada (CC) en el Liquid Argon Time Proyection Chamber (LArTPC) de DUNEND y se utiliza esto para estimar la sensibilidad de DUNE a HNLs. Nuestro análisis revela que la sensibilidad depende fuertemente de las incertidumbres sistemáticas en las predicciones del flujo de neutrinos de DUNE. Asumiendo 10 años de operación (5 en modo neutrino y 5 en modo antineutrino) se obtienen los límites |Uμ4|2 < 9×10−3(4×10−2) y |Ue4|2 < 7×10−3(3×10−2) para masas por debajo de 10 MeV y una incertidumbre del 5%(20%) en la normalización de la predicción de los eventos de corriente cargada de neutrinos. Estos límites son mejores que aquellos que pueden ser alcanzados por las búsquedas directas en DUNE para masas por debajo de los 2(10) MeV. Para el caso de una incertidumbre conservadora del 20%, los límites obtenidos solo pueden mejorar los límites experimentales actuales en |Ue4|2 por un factor de 3 en una pequeña región alrededor de 5 eV y establecer límites en |Uμ4|2 en una región de masas libre de restricciones (40 eV - 1 MeV).

In the present thesis we study the potential of the DUNE Near Detector (DUNEND) for establishing bounds for heavy neutral leptons (HNL). This is achieved by studying how the presence of HNLs affects the production rates and angular distributions of active neutrinos. We show that HNL production at DUNE creates a deficit in the neutrino charged current (CC) events at the Liquid Argon Time Proyection Chamer (LArTPC) of the DUNEND and use this to estimate the sensitivity of DUNE to HNLs. Our analysis reveals that the sensitivity is heavily dependent on the systematic uncertainties in the DUNE neutrino flux predictions. For 10 years of operation (5 in neutrino and antineutrino mode) we obtain limits of |Uμ4|2 < 9×10−3(4×10−2) and |Ue4|2 < 7×10−3(3×10−2) for masses below 10 MeV and a 5%(20%) overall normalization uncertainty in the neutrino charged current event rates prediction. These limits are better than those that can be achieved by DUNE direct searches for the case of a 5%(20%) uncertainty within the region of masses below 2(10) MeV. When a conservative 20% uncertainty is present, the limits obtained can only improve current experimental constraints on |Ue4|2 by up to a factor of 3 in a small region around 5 eV and set limits on |Uμ4|2 in a mass region free of constraints (40 eV - 1 MeV).