# name
Testing the three massive neutrino paradigm: Constraints on Neutrino Properties and Interactions from Recent Experimental Data

# metadata.dc.contributor.other[].value
Universitat de Barcelona. Departament de Física Quàntica i Astrofísica

# metadata.dc.description.abstract[].value
[eng] Neutrino physics stands at the intersection of particle physics, astrophysics, and nuclear physics, offering unique insights into phenomena beyond the Standard Model (BSM). This thesis presents a synthesis of phenomenological investigations organized around three interconnected pillars: the consolidation of the three-flavor oscillation paradigm, the exploration of the viability of new physics in light of the most up to date experimental data, and the precise determination of solar neutrino fluxes. By integrating diverse methodologies—from global oscillation fits to astrophysical flux calculations and novel BSM constraints—this work demonstrates how distinct analytical frameworks converge to test the limits of neutrino physics. This thesis starts with two introductory chapters to set the state of the art of the discussion. In Chapter 2, we introduce the basic elements of the Standard Model and its extension to include massive neutrinos, leptonic mixing and the implied flavour transitions. In Chapter 3, we set the landscape of experimental results which will be included in the rest of this thesis. We make special emphasis in Borexino phases II and III and NOvA experiments, with details of the statistical analysis of each experiment, which is an original contribution of the author to the collaboration. The first pillar establishes the three-flavor oscillation framework through a comprehensive global analysis of neutrino data from solar, atmospheric, reactor, and accelerator experiments. In Chapter 4 we present an updated determination of mixing angles (θ12, θ13, θ23) and mass-squared differences (Δm2 21, Δm2 31), resolving tensions between datasets and quantifying persistent ambiguities in the neutrino mass ordering and θ23 octant. These analyses incorporate results up to September 2024, solidifying the overall robustness of the three-flavor paradigm, originally presented in Ref. [1]. The second pillar conducts a systematic investigation of BSM physics through recent experimental results, integrating terrestrial and astrophysical neutrino observations. Chapters 5 and 6 are dedicated to laying the ground for the theoretical framework of the studied BSMs and the experimental results, based on Refs. [2–4]. A unified analytical framework simultaneously addresses Non-Standard Interactions (NSI) with electrons and quarks, differentiating between non-standard matter effects and detection-process modifications. Precision data analysis from Borexino experiment constrains electroncoupled NSI parameters, with potential to exclude Large Mixing Angle-Dark (LMA-D) solutions through matter-enhanced oscillations. Complementary constraints on quark-coupled NSI emerge from COHERENT’s coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEνNS) measurements, sensitive to nuclear recoil kinematics. The global analysis disentangles parameter degeneracies by combining oscillation data (solar, atmospheric, reactor, accelerator) with CEνNS cross-section measurements, establishing distinct bounds on propagation and detection couplings. This synthesis demonstrates how solar neutrino observations primarily constrain flavor-diagonal electron interactions, while CEνNS measurements probe universal quark couplings, with joint analyses excluding previously viable regions of NSI parameter space. The framework further distinguishes between light mediator scenarios through energy-dependent signatures in oscillation versus scattering datasets. The third pillar advances solar neutrino physics through precision flux determinations by using updated measurements of pp-chain and CNO-cycle neutrinos to resolve fundamental questions in stellar astrophysics. Chapter 7 is dedicated to explain the state of the art of Standard Solar Models, the determination of solar fluxes and the incompatibility between the resolution of the gallium source experiment anomaly and solar neutrino data by means of a light sterile neutrino. It compiles the results from Refs. [5, 6]. By integrating the latest solar and non-solar neutrino data—including the first direct detection of CNO-cycle neutrinos—this analysis disentangles solar model uncertainties from oscillation parameters, constraining metallicity-dependent energy production mechanisms. The analysis aims to resolve tensions between high- and low-metallicity compositional scenarios predicted by different Standard Solar Models (SSM), while testing sterile neutrino explanations for the Gallium anomaly. Our analysis resulted in a statistical preference for SSM that predicts high-metalicity and systematic consistency checks demonstrate incompatibility between 3 + 1 mixing parameters favored by Gallium experiments and those allowed by solar neutrino observations, irrespective of astrophysical or reactor flux assumptions. These results establish solar neutrinos as dual diagnostics of particle physics and stellar processes, linking precision flux measurements to both solar composition models and the limits of BSM scenarios. The convergence of these distinct analytical threads—oscillation parameter fits, BSM constraints, and astrophysical flux determinations—forms the core contribution of this work. By rigorously testing the three-flavor framework while probing its boundaries, this thesis provides a blueprint for interdisciplinary neutrino physics. The synthesis of disparate datasets and theoretical approaches underscores the role of neutrinos as both messengers of astrophysical processes and laboratories for fundamental physics, guiding future experiments toward resolving outstanding questions in mass ordering, CP violation, and dark sector interactions.

# metadata.dc.description.abstract[].value
[cat] La física de neutrins es troba a la intersecció entre la física de partícules, l’astrofísica i la física nuclear, oferint una visió única de fenòmens més enllà del Model Estàndard (BSM, per les seves sigles en anglès). Aquesta tesi presenta una síntesi d’investigacions fenomenològiques organitzades al voltant de tres pilars interconnectats: la consolidació del paradigma d’oscil·lació de tres sabors, l’exploració de la viabilitat de nova física a la llum de les dades experimentals més recents i la determinació precisa dels fluxos de neutrins solars. Mitjançant la integració de metodologies diverses—des d’ajustos globals d’oscil·lació fins a càlculs de fluxos astrofísics i noves restriccions BSM—aquest treball demostra com diferents marcs analítics convergeixen per provar els límits de la física de neutrins. Aquesta tesi comença amb dos capítols introductoris per tal d’establir quin és l’estat del debat sobre el tema. Al Capítol 2 introduïm els elements bàsics del Model Estàndard i la seva extensió per incloure neutrins massius, la mescla leptònica i les transicions de sabor implicades. Al Capítol 3 descrivim l’espectre de resultats experimentals que s’inclouran en la resta de la tesi. Posem especial èmfasi en les fases II i III de Borexino i en l’experiment NOvA, amb detalls de l’anàlisi estadística de cada experiment, que constitueixen una contribució original de l’autor a la col·laboració. El primer pilar estableix el marc d’oscil·lació de tres sabors mitjançant una anàlisi global exhaustiva de dades de neutrins solars, atmosfèrics, de reactors i d’acceleradors. Al Capítol 4 presentem una determinació actualitzada dels angles de mescla (θ12, θ13, θ23) i les diferències de massa al quadrat (Δm2 21, Δm2 31), resolent discrepàncies entre conjunts de dades i quantificant ambigüitats persistents en l’ordenació de masses dels neutrins i l’octant de θ23. Aquestes anàlisis incorporen resultats fins a setembre de 2024, consolidant la robustesa general del paradigma de tres sabors, originalment presentat a la Ref. [1]. El segon pilar realitza una investigació sistemàtica de física BSM a través de resultats experimentals recents, integrant observacions de neutrins terrestres i astrofísics. Els Capítols 5 i 6 estan dedicats a establir les bases del marc teòric dels BSM estudiats i els resultats experimentals, basats en les Refs. [2–4]. Un marc analític unificat aborda simultàniament les Interaccions No Estàndard (NSI) amb electrons i quarks, diferenciant entre efectes de matèria no estàndard i modificacions en el procés de detecció. L’anàlisi de dades de precisió de l’experiment Borexino constreny els paràmetres NSI acoblats a electrons, amb el potencial d’excloure solucions LMA-D (Large Mixing Angle-Dark) mitjançant oscil·lacions amplificades per matèria. Restriccions complementàries sobre NSI acoblats a quarks provenen de mesures de dispersió coherent elàstica neutrí-nucli (CEνNS) de COHERENT, sensibles a la cinemàtica de retrocés nuclear. L’anàlisi global destria degeneracions de paràmetres combinant dades d’oscil·lació (solars, atmosfèriques, de reactors, d’acceleradors) amb mesures de secció eficial CEνNS, establint límits diferencials per als acoblaments de propagació i detecció. Aquesta síntesi demostra com les observacions de neutrins solars restringeixen principalment les interaccions electòniques diagonals en sabor, mentre que les mesures CEνNS exploren acoblaments universals amb quarks, amb anàlisis conjuntes que exclouen regions prèviament viables de l’espai de paràmetres NSI. El marc distingeix a més entre escenaris de mediadors lleugers mitjançant signatures dependents de l’energia en conjunts de dades d’oscil·lació versus dispersió. El tercer pilar anticipa la física de neutrins solars mitjançant determinacions precises de fluxos, utilitzant mesures actualitzades de neutrins de la cadena pp i el cicle CNO per resoldre qüestions fonamentals en astrofísica estel·lar. El Capítol 7 s’encarrega d’explicar quina és la situació més recent dels Models Solars Estàndard (SSM), la determinació de fluxos solars i la incompatibilitat entre la resolució de l’anomalia de l’experiment de font de gal·li i les dades de neutrins solars mitjançant un neutrí estèril lleuger. Recopila els resultats de les Refs. [5, 6]. Integrant les últimes dades de neutrins solars i no solars—incloent la primera detecció directa de neutrins del cicle CNO—aquesta anàlisi deslliga les incerteses dels models solars dels paràmetres d’oscil·lació, restringint mecanismes de producció d’energia dependents de la metal·licitat. L’anàlisi pretén resoldre tensions entre escenaris de composició d’alta i baixa metal·licitat predits per diferents SSM, mentre prova explicacions basades en neutrins estèrils per a l’anomalia del Gal·li. La nostra anàlisi va resultar en una preferència estadística pels SSM que prediuen alta metal·licitat, i les comprovacions de consistència sistemàtica demostren incompatibilitat entre els paràmetres de mescla 3 + 1 afavorits pels experiments de Gal·li i els permesos per les observacions de neutrins solars, independentment de suposicions astrofísiques o de fluxos de reactors. Aquests resultats estableixen els neutrins solars com a diagnòstics duals de física de partícules i processos estel·lars, vinculant mesures precises de fluxos amb models de composició solar i límits d’escenaris BSM. La convergència d’aquests perspectives analítics diferents—ajustos de paràmetres d’oscil·lació, restriccions BSM i determinacions de fluxos astrofísics—forma la contribució central d’aquest treball. En provar rigorosament el marc de tres sabors mentre s’exploren els seus límits, aquesta tesi proporciona un pla per a la física interdisciplinària de neutrins. La síntesi de conjunts de dades i enfocaments teòrics dispars subratlla el paper dels neutrins tant com a missatgers de processos astrofísics com a laboratoris per a física fonamental, guiant experiments futurs cap a la resolució de qüestions pendents en ordenació de masses, violació de CP i interaccions del sector fosc.

# metadata.dc.rights[].value
cc by-nc-sa (c) Pinheiro, Joao Paulo, 2025

# metadata.dc.title[].value
Testing the three massive neutrino paradigm: Constraints on Neutrino Properties and Interactions from Recent Experimental Data