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¿Está compuesta la materia oscura por neutrinos?

Área: Espacio,Física — domingo, 23 de febrero de 2014

Un par de trabajos sugieren que los neutrinos tienen mayor masa de lo pensado y tendrían una gran contribución a la materia oscura.

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Evento en el detector T2K. Fuente: T2K.

A estas alturas todos conocemos el problema de materia oscura, esa masa que no vemos y que altera la rotación de las galaxias o contribuye al fenómeno de lentes gravitatorias. Normalmente se propone la existencia de partículas exóticas que den cuenta de esa masa, que es mucho mayor que la masa de la materia visible.
A veces se ha propuesto que sean los neutrinos los que hagan la materia oscura, al fin ya la cabo no interactúan prácticamente con la materia ordinaria. Para poder detectar alguno de los millones de neutrinos que nos atraviesan constantemente se usan miles de números de Avogadro de átomos corrientes y se espera a alguna interacción en un sitio aislado de la radiación natural. Esta baja interacción se debe a que los neutrinos sólo interaccionan con la materia ordinaria a través de la fuerza nuclear débil o la gravedad (que es la más débil de todas las fuerzas).
Hay tres tipos o “sabores” de neutrinos, cada uno asociado al electrón, al muón y al tau. Además, desde hace un tiempo, se ha propuesto la existencia de un cuarto neutrino que no interaccionaría con la materia ordinaria ni siquiera a través de la fuerza nuclear débil, sino que sólo interaccionaría con el resto de los neutrinos y con la gravedad. Tampoco sería capaz de cambiar su sabor. Los neutrinos estériles son un concepto puramente teórico, a diferencia de los otros tres tradicionales, que sí se han observado.
En un principio se creía que los tres neutrinos tradicionales carecían de masa, pero el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos que hace que unos tipos se transformen en otros (y que resuelve el problema de la paradoja de los neutrinos solares) nos dice que tienen alguna masa. Esta masa es muy pequeña, con una cota inferior es de 0,06 eV. Pero nadie sabe su masa real. Si tuvieran una masa pequeña, pero muy por encima de esa cota, entonces podrían dar cuenta de la materia oscura, pues la cantidad de neutrinos (principalmente primordiales) es inmensa. Por el contrario, si tuvieran una masa un poco superior a esos 0,06 eV, entonces su contribución a la materia oscura sería despreciable.
Una manera de medir la materia oscura es analizando el fondo cósmico de microondas (FCM), que se corresponde a la luz emitida al cabo 380.000 años tras del Big Bang. El FCM contiene pequeñas irregularidades que dan cuenta de varios aspectos del Universo y que permiten testar los distintos modelos cosmológicos. También permite determinar la cantidad de materia oscura.
La distribución de las irregularidades es un reflejo de las fluctuaciones en densidad de materia que había tras el Big Bang. Fue precisamente en donde la densidad era mayor en donde la gravedad pudo actuar y crear más tarde los cúmulos de galaxias. Si se analiza la distribución de cúmulos en una época posterior y se comparan con las irregularidades del FCM se observa que no coinciden del todo. Pero, usando ciertos modelos, se puede deducir, usando la masa que tendrían que tener los neutrinos para que todo encajara.
Al principio del Universo, los neutrinos se moverían a velocidad relativista y no serían agrupados por la fuerza de gravedad. Pero una vez el Universo se enfrío lo suficiente, los neutrinos se moverían más despacio hasta agruparse al igual que la materia normal. El número de cúmulos de galaxias sería un reflejo de la masa de los neutrinos. Cuanto más masivos más contribuirían a la materia oscura.
En un artículo publicado recientemente Richard Battye (University of Manchester) y Adam Moss (University of Nottingham) se analizan los datos del FCM aportados por las misiones WMAP y Planck usando la idea antes expuesta y se llega a la conclusión de que la contribución de los neutrinos podrían dar cuenta de la materia oscura. Algo similar han hecho Mark Wyman (University of Chicago) y sus colaboradores.
En ambos casos proponen dos posibilidades. En la primera los tres neutrinos tradicionales tendrían una masa de 0,32 eV y 0,39 eV respectivamente, con barras de error que tienen una intersección común.
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.
Los experimentos diseñados para cazar las oscilaciones de neutrinos podrían ayudar a determinar sus diferencias y a calcular sus masas. Algunos de estos experimentos, como T2K y NOvA ya están en marcha y han proporcionado los primeros datos. Sus resultados posiblemente nos aclaren esta situación y nos permitan saber la contribución de los neutrinos a la materia oscura.

Actualización:
Recientemente se han publicado un par de artículos en los que señalan indicios experimentales de que la materia oscura podría estar compuesta por neutrinos estériles[1], [2].
En un caso se basa en el análisis de emisiones de rayos X de 73 cúmulos de galaxias observados por XMM-Newton y Chandra. El otro se basa en el mismo tipo de observación pero sólo sobre el cúmulo de Perseo. En ambos casos se detectan picos de 3,5 keV, lo que se correspondería al decaimiento de neutrinos estériles de 7 keV.

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Fuentes y referencias:
Artículo original I.
Artículo original II.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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6 Comentarios

  1. jab:

    Entiendo que si los neutrinos se pueden agrupar como la materia normal existirían grandes estructuras de neutrinos en el universo, como el famoso anillo de “materia oscura” cuya fotografía publicó la Nasa hace unos años. Seria un “anillo de neutrinos”. Y quizá esas inmensas estructuras de neutrinos tendrían propiedades emergentes curiosas. En fin, especular es gratis salvo en la Bolsa.

    Saludos

  2. NeoFronteras:

    En realidad en los modelos cosmológicos normalmente sólo se tiene en cuenta la materia oscura y la ordinaria simplemente se pega en donde la oscura ya se ha agrupado.

  3. tomás:

    Querido Neo:
    Ya sé que cuando dices “… miles de números de Avogadro de átomos corrientes…” lo que quieres decir es algo así como “muchísimos”.
    Pero, si no recuerdo mal, el famoso número es el que de moléculas, o átomos, etc. tiene un mol, y un mol es (o era -lo digo por las nuevas definiciones, pero que nos sigue sirviendo a los “antiguos”-) el peso molecular expresado en gramos de la sustancia considerada. Pero entonces, decir miles de números de Avogadro se queda cortísimo cuando se entierran depósitos de decenas de miles de metros cúbicos para detectar esos neutrinos.

    Creo… y con gusto rectificaré si me equivoco.
    Un cordial saludo.

  4. NeoFronteras:

    Posiblemente se queda corto, para números muy grandes no es fácil encontrar nombres.
    Si queremos precisar más, las 50.000 toneladas de agua usadas en el Superkamikande son, aproximadamente, unos 5×1035 átomos.

  5. lluís:

    Parece que las masas de los neutrinos son muy similares pero no idénticas. Si esto es así, me resulta muy extraño el hecho de que sus masas no sean iguales.

  6. NeoFronteras:

    Esta entrada ha sido actualizada.

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