Neutrino physics from cosmological observables and oscillation experiments

Aquesta tesi se centra en la física dels neutrins. En particular, se centra en l'estudi de les oscil·lacions de sabor, el paper dels neutrins relíquia en alguns escenaris cosmològics i la interacció entre aquests dos temes. Els neutrins es troben entre les partícules elementals més conegudes. Presenten comportaments interessants, com les seves oscil·lacions, i constitueixen un dels vincles entre les diferents àrees de la física. A través d'aquest document explotem la seva relació amb la cosmologia, amb especial èmfasi en l'Univers primerenc, encara que també parlem de projectes relacionats amb les últimes etapes de la història de l'Univers. En la primera part de la tesi presentem un ajustament global de tots els experiments d'oscil·lació de neutrins rellevants, on mostrem la sorprenent capacitat d'anàlisi conjunt a través de la determinació particular a més de tres sigmes a favor d'un ordenament normal de masses dels neutrins. A més, obtenim una precisió al nivell de percentatge en la majoria dels paràmetres que controlen les oscil·lacions de sabor dels neutrinos, millorant, en particular, la precisió prèviament assolida en l'octant de l'angle atmosfèric i en la fase relacionada amb la violació de CP. La segona part del treball està dedicada al procés de desacoblament dels neutrins relíquia, amb especial atenció al paper de les oscil·lacions de sabor. Hem relaxat les aproximacions anteriors en aquest sentit, relacionades amb el tractament dels components no diagonals de l'anomenada matriu de densitat, i hem millorat la determinació del nombre efectiu de neutrins, un important paràmetre cosmològic que descriu la contribució de la radiació en l'Univers primerenc. Després, estudiem diversos escenaris cosmològics no estàndard on els neutrins són rellevants. El primer consisteix en una temperatura molt baixa de reescalfament, que retarda el començament de l'última fase dominada per la radiació de l'Univers, i on establim els millors límits actuals sobre aquest paràmetre. En un segon estudi, investiguem les propietats estadístiques dels neutrins a partir de mesures cosmològiques. A continuació, deixem enrere l'Univers primerenc i, tot i tractar amb neutrins relíquia, ens movem cap a l’actualitat per estudiar el seu agrupament sota el potencial gravitatori de la Via Làctia. Amb aquesta computació, hem calculat la sobredensitat local d'aquestes relíquies, un valor important per a futurs experiments amb la finalitat de detectar-los. Finalment, en l'última part de la tesi canviem el tipus de neutrins i investiguem els que es poden detectar amb les energies més grans. En particular, hem calculat l'impacte que una hipotètica interacció entre els neutrins i les partícules de matèria fosca, amb la major restricció que aquesta interacció ha de ser no universal, pot tenir en el patró d'oscil·lacions de sabors a energies tan extremes. Hem fet els càlculs tenint en compte el fet que la matèria fosca no es distribueix de manera homogènia a la nostra galàxia, el que pot provocar efectes com el de MSW. En conjunt, hem contribuït al coneixement del paper que tenen els neutrins relíquia a l'Univers, en particular en les seves primeres etapes, i hem investigat les oscil·lacions del sabor, tant en escenaris estàndard com no estàndard. Esperem que aquest treball siga útil per comprendre alguns dels problemes actuals en física de partícules, astrofísica i cosmologia.This thesis is focused on neutrino physics. In particular, it is centred on the study of flavour oscillations, the role of relic neutrinos in some cosmological scenarios and the interplay between these two topics. Neutrinos are among the most interesting known elementary particles. They exhibit interesting behaviours, such as their oscillations, and constitute one of the links among different areas in physics. Along this document we exploit their relation with cosmology, with special emphasis on the early Universe, although we also discuss some projects connected with the last stages of the history of the Universe. In the first part of the thesis we present a global fit of all relevant neutrino oscillation experiments, where we show the astonishing capability of joint analyses through the particular determination at more than three sigmas in favour of a normal ordering of neutrino masses. In addition, we get a few per cent accuracy in most of the parameters controling neutrino flavour oscillations, improving in particular the precision previously reached in the octant of the atmospheric angle and in the phase related to CP violation. The second part of the work is devoted to the decoupling process of relic neutrinos, with special care devoted to the role of flavour oscillations. We have relaxed previous approximations in this regard, connected with the treatment of the off-diagonal components of the so-called density matrix, and we have improved the determination of the effective number of neutrinos, an important cosmological parameter that describes the contribution of radiation in the early Universe. Afterwards, we study several non-standard cosmological scenarios where neutrinos are relevant. The first one involves a very low-reheating temperature, which delay the beginning of the last radiation-dominated phase of the Universe, and where we set the best lower bounds up to date on this parameter. In a second study, we investigate the statistical properties of neutrinos from cosmological measurements. Then we leave the early Universe behind and, still dealing with relic neutrinos, we move towards present times to study their clustering under the gravitational potential of the Milky Way. With this computation, we have calculated the local overdensity of these relics, an important value for future experiments aiming at their detection. Finally, in the last part of the thesis we change the type of neutrinos and investigate those that can be detected with the largest energies. In particular, we have calculated the impact that a hypothetical interaction between neutrinos and dark matter particles, with the major constraint that this interaction must be non-universal, can have on the pattern of flavour oscillations at such extreme energies. We made the calculations taking into account the fact that the dark matter is not homogeneously distributed in our galaxy, what can lead to MSW-like effects. All in all, we have contributed to the knowledge of the role that relic neutrinos play in the Universe, in particular at its earlier stages, and we have investigated flavour oscillations, both in standard and non-standard scenarios. Hopefully this work will be useful for the understanding of some of the currently open problems in particle physics, astrophysics and cosmology