Neutrino masses and oscillations : in theories beyond the Standard Model

Neutrinos are very light fermions, which have three flavour states and three mass states. Being neutral leptons, they participate only in the weak and gravitational interactions. Gravitational effects are negligibly small, since neutrinos are light and consequently ultrarelativistic. Until the detection of neutrino oscillations during the turn of the millennium, neutrinos were thought to be massless. Now we know better. Neutrino mixing is a result of a mismatch between neutrino flavour and mass bases, which can be easily implemented to the Standard Model (SM), but their masses cannot. On one hand, insertion of Dirac neutrino mass terms requires the existence of right-handed neutrinos, which are not observed yet. On the other hand, insertion of Majorana neutrino mass terms would imply that neutrino is its own antiparticle. This could be confirmed upon the discovery of neutrinoless double beta decay, which is also unobserved today. Light neutrino masses lead to lepton flavour violating (LFV) decays and nonzero magnetic moment. These are unobserved due to suppression by small neutrino masses. In contrast, another consequence of neutrino masses - neutrino oscillation - was spectacularly observed, earning the 2015 Nobel Prize in Physics. Neutrino oscillation experiments are approaching precision measurements on mass squared splittings and mixing angles, but these are partially spoiled by degeneracy of atmospheric mixing angle octant, ambiguousness of neutrino mass ordering and low confidence limit on leptonic CP phase angle. A high-luminosity long-baseline neutrino oscillation experiment is needed to decisively constrain the parameter space and guide neutrino physics to a new era. Studies on nonstandard interactions (NSI) allow us to quantify the effects of new physics as a perturbation from the standard three neutrino framework. We have developed a formalism in the case of matter NSI in long baseline neutrino oscillation experiments and derived baseline-dependent bounds for the prospects of a future discovery of NSI. We have also chosen a popular neutrino mass generation model called Type II seesaw and studied how the next-generation long baseline neutrino oscillation experiment, DUNE, can constrain the model parameters. While the experiments at the Large Hadron Collider (LHC) have found hints of new physics beyond the SM in addition to SM Higgs boson, these hints are far from conclusive evidence. Thus it is increasingly likely that there are no new physics at the TeV energy scale. Most neutrino mass models also induce LFV decays. Constraints from them push the limits of new physics of neutrino mass models to higher energies than center-of-mass energy of LHC. New physics may manifest itself also as nonstandard interactions or nonunitary mixing. We studied the likelyhood of confirming neutrinophilic two Higgs doublet model at the LHC, performing a collider analysis and constrained the parameters of the theory. Current experimental efforts on neutrino physics are concentrated on the precise measurements of neutrino oscillation parameters. On both short- and long-baseline experiments, neutrino mass models will induce subleading corrections to neutrino flavour transition. Current hints point to a existence of an eV-scale sterile neutrino. Neutrino mass models predict the vanilla seesaw scale to be at ZeV or higher, but at such a high scale, Higgs mass must be fine-tuned. Dark matter searches favor keV scale sterile neutrinos. These incompatible mass scales show that the search for neutrino physics beyond the SM is far from straightforward.Neutriinot ovat äärimmäisen heikosti vuorovaikuttavia alkeishiukkasia, jotka ovat niin keveitä ettei niiden massaa ole onnistuttu vielä mittaamaan. Koska eri tyyppiä olevat neutriinot muuttuvat toisiksi nk. neutriino-oskillaatioksi kutsutussa ilmiössä, tiedämme että ne eivät voi olla massattomia. Vuoden 2015 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin Arthur MacDonaldille ja Takaaki Kajitalle neutriino-oskillaatioiden kokeellisesta löytämisestä. Wolfgang Pauli ehdotti neutriinon olemassaoloa vuonna 1930 ratkaistaakseen fysiikkaa tuolloin piinanneen puuttuvan energian ongelman. Clyde Cowan ja Frederick Reines havaitsivat neutriinon ensimmäisen kerran vuonna 1956. Vuosituhannen alkuun mennessä oli löydetty kolme erityyppistä neutriinoa - elektronineutriino, myoninneutriino ja tauneutriino - sekä havaittu, että neutriinot voivat muuttua erityyppisiksi. Hiukkasfysiikan standardimalli sisältää neutriinot, mutta ne ovat siinä massattomia. Standardimalli on kykenemätön selittämään neutriinojen massan ja keveyden - miksi neutriinoilla on massa ja miksi ne ovat niin keveitä? 1970- ja 1980-lukujen taitteessa kehitettiin nk. keinulautamalli, joka selittää neutriinojen keveyden olettamalla uusien raskaiden standardimallin ulkopuolisten hiukkasten olemassaolo. Standardimallin sellaiset laajennukset, jotka generoivat massat neutriinoille, voivat myös vaikuttaa neutriino-oskillaatioihin huomattavasti. Mikäli uusien vuorovaikutusten energiaskaala on teraelektronivoltin luokkaa ja havaittavissa CERNin suurella hadronitörmäyttimellä (Large Hadron Collider, LHC), niistä aiheutuvat epästandardit vuorovaikutukset voivat aiheuttaa havaittavia muutoksia makua rikkoviin hiukkasreaktioihin, kuten neutriino-oskillaatioihin ja mahdollistaa uusia hajoamisreaktioita, kuten myonin hajoamisen elektroniksi ja fotoniksi. Väitöskirjassa tutkitaan mahdollisuuksia mitata standardimallin laajennuksista aiheutuvia pieniä merkkejä neutriino-oskillaatiokokeissa, varattujen leptonien makua rikkovissa hajoamisissa sekä kiihdytinkokeissa. Tarkastelun kohteena ovat tyypin II keinulautamalli, neutriinofiilinen malli sekä epästandardien vuorovaikutusten malli