2 mar. 2014

La materia oscura y los neutrinos, dos viejos conocidos

Los científicos vienen barajando la idea de que la materia oscura podría estar compuesta por neutrinos desde hace muchos tiempo (por lo menos desde los años 1980), aunque ahora se agregó otro candidato, el neutrino estéril. Por eso el título de este escrito. Es decir, que los neutrinos contribuyan a formar parte de la materia oscura o que lo sean en un 100 por ciento dependerá de su masa, lo cual se viene discutiendo desde hace unos 30 años.
La materia oscura intriga a los cosmólogos desde que se propuso, por parte de Fritz Zwicky, en 1933 ante la evidencia de una "masa no visible" que influía en las velocidades orbitales de los cúmulos galácticos. La materia oscura continúa siendo hipotética y es aquella cuya radiación electromagnética es nula o indetectable con los métodos actuales, aunque su existencia se deduce a partir de interacciones gravitatorias con la materia ordinaria y por las anisotropías del fondo cósmico de microondas. Se propusieron muchos candidatos a formar parte de la materia oscura, desde la materia bariónica de diferente escala (quizás objetos tan grandes como Júpiter) hasta partículas exóticas denominadas wimp (weakly interacting massive particles) y otras. 

The neutrino event. Crédito: Argonne National Laboratory
Pero entre todos los candidatos, los neutrinos son los que más encajan en ser partícipes de la materia oscura; dado que interactúan muy poco con la materia y poseen masa. Lo que sí, sus masas son muy inferiores a la necesaria para hacer concordar los datos (en los dos trabajos propuestos y citados al final de este artículo se estima que sus masas podrían ser muy superiores).
Los neutrinos son partículas muy esquivas, interaccionas muy poco con la materia y todo lo demás que ya sabemos sobre ellos. Se pueden consultar muchos artículos buenos sobre los neutrinos en la web. Una pequeña salvedad: cuando uno dice “partículas” en física en realidad se debe entender “entidades cuánticas”. Todos los cuerpos en el Universo se comportan como ondas y como partículas, son duales. Por supuesto que a nivel macroscópico esto no es así dada la pequeñez de la constante de Planck. Pero a nivel subatómico no tenemos que imaginarnos al neutrino, por ejemplo, como una bolita. Eso es muy lejano a la realidad aunque intuitivamente lo supongamos. Esas cosas son nubes de probabilidad, funciones que colapsan como onda o partícula según el experimento a que las sometamos. Entonces, siempre que se lea partícula en tratados de física y demás, se debe entender como entidad cuántica. Entonces, estos neutrinos, los cuales existen en tres sabores intercambiables y siempre vienen asociados a los leptones, se propusieron como responsables directos a ser la materia oscura.

Generación de neutrinos electrónicos en estrellas tipo Sol.
Crédito: Creado por Dorottya szám
Los neutrinos interaccionan con la materia a través de la gravedad y de la fuerza débil (se producen mediante el intercambio de bosones vectoriales masivos) y últimamente se ha propuesto un cuarto tipo de neutrino al que denominaron neutrino estéril. Este neutrino interacciona con la materia ordinaria o bariónica mediante la gravedad y no oscilaría cambiando de sabor con los otros tres neutrinos. El neutrino estéril, a diferencia de los otros tres tipos (el electrónico, el muónico y el tauónico), tampoco interaciionaría por medio de la fuerza débil. Este cuarto neutrino es teórico, a diferencia de los otros tres que ya forman parte del zoológico de partículas detectadas.
Para cerrar los cálculos de la materia oscura se requiere que los neutrinos superen cierta cosa de masa. De ser inferior no podrían explicar las observaciones. El problema radica en que todavía no se sabe con certeza cuál es la masa de los tres neutrinos detectados. La forma más directa que tienen los científicos de medir la materia oscura es a partir del fondo cósmico de microondas. Esta radiación irregular es la que se emitió por primera vez pasados unos 380 mil años luego del Big Bang.

Radiación de fondo de microondas a través de la historia.
Crédito NASA
Cómo se distribuyen esas irregularidades refleja fluctuaciones en la densidad del espacio en esa lejana época. Este diferencial de densidad inicial permitió que más tarde se formen las primeras galaxias y cúmulos de galaxias y en general el aspecto filamentoso que se observa en el Universo a gran escala, donde hay regiones de muy alta densidad y otras formando vacíos casi perfectos.
Cuando los cosmólogos analizan esta distribución de materia actual, se observa que no hay coincidencia con las fluctuaciones del fondo de microondas. Se requiere la presencia de más masa y es allí donde encaja la materia oscura para resolver el problema. Pero el nuevo problema es que la materia oscura permanece en estado de teórica.

Anomalías en la radiación de fondo de microondas. Crédito: Argonne National Laboratory

Un trabajo publicado en Physical Review Letters y presentado por Mark Wyman, de la University of Chicago y otros propone dos posibilidades para la materia oscura. En el primer caso se propone a los tres neutrinos tradicionales con masas del orden de los 0,32 eV a los 0,39 eV. En la segunda sugieren la participación de neutrinos estériles en el escenario. Dependiendo del modelo usado se asigna una masa al neutrino estéril de entre 0,3 eV y 0,5 eV. Al parecer, esta segunda opción encaja mejor que la primera con los datos experimentales.
En otro trabajo presentado por Richard A. Battye y Adam Musgo Se discute si los neutrinos masivos (ya sea tradicionales o estériles) pueden conciliar algunas de las tensiones que ocurren en el seno de datos cosmológicos aportados. Se estima que para cerrar los cálculos, la masa de los tres neutrinos estaría en el orden de los 0,320 eV con un error de 0,081 eV mientras que para el neutrino estéril sería de 0,450 eV con una desviación de 0,23 eV.

Por Mariano Miguel Lanzi

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