En las supernovas tipo II son los neutrinos los que provocan la expulsión de buena parte de la masa de la estrella al medio interestelar / ESA/Hubble  (Wikipedia)

El Universo como detector de partículas: entender los neutrinos mirando al cielo

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La precisión de los datos cosmológicos de última generación nos permite obtener información sobre la masa de los neutrinos. Los nuevos límites obtenidos gracias a recientes cartografiados de galaxias son particularmente interesantes, sobre todo, por las consecuencias que implican para la física de partículas. Indican que podemos estar muy cerca del descubrimiento de la jerarquía de masas de los neutrinos y/o de la medida de la masa de esas partículas tan misteriosas.

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UAM Gazette / Los neutrinos son, posiblemente, las partículas más misteriosas que hay en el Universo. Se comportan como partículas fantasma, ya que viajan casi a la velocidad de la luz, recorriendo largas distancias sin interaccionar con otras partículas existentes a su alrededor.

Además, según el modelo estándar de la física de partículas, se esperaría que no tuvieran masa. No obstante, existen numerosas evidencias de que su masa, aunque reducida, no es cero: se han observado oscilaciones en el “sabor” de los neutrinos, lo que implica la presencia de masa. Esto obliga a los físicos de partículas a revisar el modelo estándar.

Existen numerosas evidencias de que su masa, aunque reducida, no es cero,  a pesar del modelo estándar de física de partículas

La física interpreta estas oscilaciones de la siguiente manera: los neutrinos tienen tres “personalidades” (que pueden intercambiarse), pero estas personalidades (en palabras técnicas: estados de “sabor”) no se corresponden, una a una, con sus masas (en palabras técnicas: estados de masa), ya que éstas pueden cambiar. ¡Es como si estas personalidades tuvieran tres trajes de distinto peso (el de invierno, el de media temporada y el de verano) que pudieran elegir cada día! A pesar de las implicaciones tan profundas que esto conlleva, el valor exacto de la masa de los neutrinos aún no ha podido determinarse.

El estudio de los neutrinos es muy difícil: puesto que interaccionan muy débilmente con la materia, son necesarios detectores de gran tamaño. En este trabajo, Viviana Niro, de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), y Antonio J. Cuesta y Licia Verde, de la Universitat de Barcelona (UB), han estudiado los neutrinos “mirando al cielo”: utilizando el Universo como un inmenso detector.

De hecho, los neutrinos representan una pequeña fracción, aunque nada despreciable, de la materia oscura que compone más del 80% de toda la masa del Universo. Por eso, los neutrinos, y en particular su masa, afectan a la distribución de la materia a grandes escalas.

Al viajar tan rápido, los neutrinos pueden escapar de la atracción gravitatoria de una acumulación de materia oscura (al igual que un cohete puede escapar de la superficie de La Tierra y explorar el Sistema Solar); sin embargo, si éstos son muy masivos, al escapar se llevan masa consigo, reduciendo así la masa de las acumulaciones de materia oscura.

Diferencia entre las masas de los neutrinos (normalizada a la masa total) en función de la masa total. Líneas verticales: a 0.23 eV se muestra el límite obtenido por la colaboración Planck; mientras que a 0.13 eV, el conseguido en nuestro análisis / UAM

Diferencia entre las masas de los neutrinos (normalizada a la masa total) en función de la masa total. Líneas verticales: a 0.23 eV se muestra el límite obtenido por la colaboración Planck; mientras que a 0.13 eV, el conseguido en nuestro análisis / UAM

Pero, si la materia oscura no puede verse, ¿podemos concluir que esto no afecta a nada? “Al contrario: la materia oscura sirve de andamiaje para la distribución de las galaxias, de manera que la masa de los neutrinos afecta a la distribución, abundancia y propiedades de las galaxias, así como a las propiedades estadísticas del fondo cósmico de microondas (el eco del Big-Bang). Es precisamente este principio el que hemos usado en este trabajo”, explica Viviana Niro, coautora del artículo.

En esta investigación, se han hallado nuevos límites sobre el posible valor de la masa de los neutrinos. Se han comparado datos procedentes de diversas galaxias: de las llamadas Galaxias Luminosas Rojas (Luminous Red Galaxies) y de las denominadas Galaxias de Líneas de Emisión (Emission Line Galaxies). Estos datos experimentales han sido medidos mediante dos cartografiados diferentes: el Sloan Digital Sky Survey (SDSS) y el WiggleZ Dark Energy Survey.

“En nuestro trabajo, hemos encontrados límites muy parecidos, empleando estos dos tipos diferentes de galaxias. Esto indica que el resultado es sólido y robusto. Si los distintos tipos de galaxias poblaran el andamiaje de la materia oscura de diferente manera, esto no sería así: posiblemente, las propiedades de un tipo de galaxias nos darían un valor para la masa de los neutrinos; y las de otro, otro diferente. No obstante, hemos constatado que los resultados no dependen del tipo de galaxias utilizadas”, subraya la investigadora.

El límite más fuerte sobre la masa total de los neutrinos que han logrado con sus análisis es de 0.13 eV (donde 1 electrón-Voltio, representado como eV, corresponde a una masa que es medio millón de veces más pequeña que la masa del electrón). Para entender las consecuencias de estos resultados, hay que tener en cuenta que las observaciones de oscilaciones de “sabor” indican cuál es la diferencia de masa existente entre los tres estados de masa, pero no revelan su valor concreto. Siguiendo con la analogía anterior, estos experimentos ofrecen la diferencia de peso que hay entre los tres trajes, pero no cuánto pesa cada traje, ni cuál corresponde a qué temporada (lo que en física de partículas se ha denominado jerarquía de masas).

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La determinación de la masa de los neutrinos a la vuelta de la esquina

“Nuestra medida nos dice que, en total, la suma de las masas de los tres estados de masa (la de los tres trajes) tiene que ser inferior a 0.13 eV. También nos indica que la posibilidad de que la jerarquía de masas esté invertida (es decir, que haya un único neutrino ligero y, por lo tanto, los otros dos sean más pesados; en otras palabras, que el traje de verano sea muy ligero y, los otros dos, el de media temporada y el de invierno, presenten un peso muy similar) es reducida, ya que los experimentos de oscilaciones muestran que la masa total mínima para este caso solamente puede ser superior a 0.10 eV aproximadamente”, afirma la Dra. Niro.

Los neutrinos representan una pequeña fracción, aunque nada despreciable, de la materia oscura

Este resultado revela que, si la jerarquía de masas de los neutrinos fuera invertida, entonces la detección y determinación de la masa de los neutrinos mirando al Universo podría estar, prácticamente, a la vuelta de la esquina. De hecho, éste será uno de los objetivos de los cartografiados disponibles en los próximos años.

Por el contrario, si estos cartografiados, en lugar de detectar la masa de los neutrinos, pusieran un límite aún más pequeño que 0.10 eV, la jerarquía de masas sería la normal (dos neutrinos ligeros y uno más pesado o, lo que es lo mismo, un traje de invierno muy pesado y unos trajes de verano y media temporada muy similares).

Futuros datos experimentales, como los que se esperan obtener tras el lanzamiento del satélite Euclid, podrían ser fundamentales para el descubrimiento de las masas de los neutrinos, independientemente de su jerarquía.

Este trabajo ha sido realizado mediante computación multiprocesador, usando códigos avanzados para el análisis estadístico de datos experimentales en astrofísica.

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Referencia bibliográfica:

Antonio J. Cuesta, Viviana Niro & Licia Verde. “Neutrino mass limits: Robust information from the power spectrum of galaxy surveys”. Physics of the Dark Universe. DOI: 10.1016/j.dark.2016.04.005

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