¿Podrían los neutrinos estériles resolver el enigma de la masa cosmológica?

Un nuevo estudio sugiere que una especie adicional de neutrino ayudaría a reconciliar los datos del universo primitivo con los del cosmos actual

De todas las partículas elementales conocidas, los neutrinos probablemente sean las más misteriosas. Entre otras propiedades, los físicos aún no entienden bien qué mecanismo otorga a estas partículas su diminuta masa ni por qué los neutrinos de una especie se transforman espontáneamente en neutrinos de otra. Los expertos ni siquiera están seguros de cuántas clases de neutrinos existen. Aunque hasta el momento se conocen tres (el neutrino electrónico, el neutrino muónico y el neutrino tauónico), hace ya tiempo que algunos físicos creen que bien podría existir un nuevo sector: el de los neutrinos estériles. Su nombre se debe a que, aparte de la gravedad, tales partículas no experimentarían ninguna de las interacciones conocidas, ni siquiera la fuerza nuclear débil.

Son varias las razones que han llevado a los físicos a postular una partícula que, en caso de existir, sería prácticamente indetectable. En un artículo publicado la semana pasada en Physical Review Letters, M. Wyman y otros investigadores de la Universidad de Chicago han señalado otra más. Según los autores, los neutrinos estériles podrían ayudar a resolver un pequeño rompecabezas cosmológico: por qué algunos parámetros calculados a partir del fondo cósmico de microondas (CMB) no acaban de cuadrar con los que arrojan las mediciones de galaxias del universo local.

A menudo llamada «radiación fósil del big bang», los fotones que componen el CMB fueron emitidos unos 380.000 años después de la gran explosión; es decir, cuando el universo era extremadamente joven. En aquella época aún no había estrellas ni galaxias, sino solo un plasma de partículas cargadas que comenzaban a unirse para formar los primeros átomos de hidrógeno neutro. Las propiedades del CMB aportan información muy valiosa en cosmología; en particular, permiten calcular qué valor deberían tomar en la actualidad varios parámetros cosmológicos fundamentales, como la constante de Hubble o la abundancia relativa de galaxias y cúmulos de galaxias.

Sin embargo, algunos de los parámetros cosmológicos calculados de esa manera no parecen coincidir del todo con los obtenidos directamente a partir de mediciones de galaxias. Así, según los últimos datos del CMB recabados por el satélite Planck, la constante de Hubble (el parámetro que dicta a qué velocidad se expande hoy el universo) debería ser de unos 67 kilómetros por segundo y por megapársec. No obstante, dicho valor asciende a unos 73 km/s/Mpc cuando se promedia a partir del desplazamiento al rojo de galaxias cercanas. ¿A qué se debe esa discrepancia?

Épocas cósmicas: Algunos de los parámetros cosmológicos obtenidos a partir de mediciones de galaxias del universo local (arriba) no coinciden por completo con los calculados a partir del fondo cósmico de microondas (abajo). Un nuevo estudio sugiere que los neutrinos estériles podrían ayudar a reducir dicha discrepancia. (NASA/JPL-Caltech y ESA/Planck.)

Wyman y sus colaboradores señalan que los neutrinos estériles podrían ayudar a reconciliar ambos resultados, así como otras divergencias asociadas a la formación de estructuras cósmicas. La razón fundamental se debe a que la presencia de neutrinos estériles en el plasma primigenio habría modificado la tasa de expansión del universo primitivo, así como la manera en que éste se enfrió para dar lugar, millones de años después, a las galaxias y los cúmulos de galaxias. Los autores son cautos y advierten de que cualquier error sistemático en los conjuntos de datos considerados podría alterar sus conclusiones, si bien consideran que las futuras mediciones deberían ayudar a apoyar o descartar su hipótesis.

Los científicos saben que cuando se mide la cantidad total de materia en el universo utilizando dos métodos que compiten entre sí, uno dará un mayor valor para la densidad total de materia que el otro. Para resolver esta discrepancia de medición, dos grupos de investigación independientes han propuesto que la masa perdida puede estar en forma de neutrinos. Medir con precisión la cantidad total de materia en el universo es un parámetro fundamental para la interpretación cosmológica de un gran número de fenómenos astrofísicos.

Los neutrinos son difíciles de estudiar debido a que interactúan sólo por la fuerza nuclear débil, que actúa sólo en distancias muy cortas, y por la gravedad, que es extremadamente débil. En el modelo estándar de la física de partículas, existen tres sabores de neutrinos: electrón, muón y tau. Alguna vez se creyó que son partículas sin masa, pero el descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos —en las que los neutrinos cambian de sabor, lo cual exige que sus masas sean diferentes— implica que por lo menos dos de ellos tienen masa, y la tasa de oscilación es una función de la diferencia de masa de cada sabor. La tasa se ha medido en experimentos de física de partículas, tales como Super-Kamiokande en Japón, lo que ha permitido que los físicos de partículas coloquen una cota inferior a la suma de las masas de los neutrinos: 0,06 eV, pero los valores absolutos siguen siendo desconocidos.

Discrepancias cósmicas

Las mediciones de la cantidad total de materia en el universo que se realizan en base al fondo cósmico de microondas (CMB) —el remanente térmico del Big Bang— generalmente dan un mayor valor para la densidad total de materia en comparación con las medidas que se centran en el número de cúmulos de galaxias y las lentes gravitacionales. En el primero de los nuevos trabajos, Richard Battye, de la Universidad de Manchester, y Adam Moss, de la Universidad de Nottingham, ambas en el Reino Unido, sugieren que los neutrinos masivos podrían explicar el hecho de que la masa total inferida a partir del tamaño de las ondas en el CMB —medida por satélites como el Planck y el Wilkinson Microwave Anisotropy Telescope (WMAP)— es superior a la masa total medida por los otros métodos. Marcos Wyman y sus colegas de la Universidad de Chicago en los EEUU hacen la misma sugerencia, basados en datos diferentes, en el segundo documento.

El CMB fue creado alrededor de 380.000 años después del Big Bang, cuando se formaron los átomos neutrales y de la disociación de la materia y la radiación permitieron que los fotones viajen libremente a través del universo. A esta temperatura (unos 3.000º K), los neutrinos habrían sido altamente relativistas. Ahora, sin embargo, se habrán enfriado hasta el punto en que su masa es efectivamente su masa en reposo. Por lo tanto, podrían ser responsable de la masa de hoy del universo, aparentemente inferior que en el CMB.

La cantidad de neutrinos producidos cuando se formaron los primeros átomos neutros se pueden calcular con relativa facilidad, y si la suma de las masas en reposo de los neutrinos es de 0,06 eV, los neutrinos harían una contribución insignificante a la masa en el universo. Los autores de los dos trabajos, por lo tanto, calculan que la masa combinada realmente reconciliaría las observaciones del CMB con las observaciones del universo que se hacen hoy. Ambos grupos consideraron dos posibilidades: la primera, y más simple, que se añadieran todas las masas de los neutrinos conocidos. En este caso, Battye y Moss calculan una masa combinada de aproximadamente 0,32 eV, y los científicos de Chicago llegan a una cifra de aproximadamente 0,39 eV (cada uno bien dentro de la variación por error del otro).

Partículas estériles

Ambos grupos también vieron modelos que contienen «los neutrinos estériles», un cuarto tipo propuesto de neutrino, muy debatido, que contribuye en masa pero no interactúa con la fuerza débil. Estos neutrinos estériles, por lo tanto, sólo se interactuar con los otros tres neutrinos «activos», lo que los hace mucho más difíciles de detectar.

En el nuevo trabajo, los investigadores mantienen la masa del neutrino activo vinculada a los 0,06 eV y atribuyen la masa extra a los neutrinos estériles. Dependiendo del modelo exacto que utilizaran, Battye y Moss encuentran una masa del neutrino estéril entre 0,3 eV y 0,5 eV, mientras que el grupo de Wyman encontró que la masa sería de alrededor de 0,4 eV. Este modelo se ajusta ligeramente mejor con las mediciones de la materia en el universo que las hechas con otras técnicas que los escenarios con neutrinos activos pesados. «En nuestro trabajo no hallamos bastante parejo entre las dos situaciones», dice Wyman, ahora en la Universidad de Nueva York, «pero decidimos presentar nuestras cifras para el caso del neutrino estéril, ya que en nuestra colaboración todos vemos que es el caso más probable desde el punto de vista de lafísica de partículas».

El cosmólogo observacional Ofer Lahav del University College de Londres, quien en 2010 puso un límite superior aproximado de la masa del neutrino de 0,28 eV, está intrigado pero escéptico. «Es muy interesante obtener la masa del neutrino de los conjuntos de datos cosmológicos», dice. «También es muy difícil… Puedo ver fácilmente diferentes análisis que logran respuestas ligeramente diferentes, e igualmente creo que la tensión en los datos podría tener otras explicaciones, como la variación local de la constante de Hubble u otros errores sistemáticos.»

Ambos trabajos se han publicado en Physical Review Letters ( Phys. Rev. Lett 112 051303; Phys. Rev. Lett 112 051302 ).

Fuente: Investigación y Ciencia y Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti

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