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

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, cruzando enormes distancias sin interaccionar con otras partículas a su alrededor. Además, según el modelo estándar de la física de partículas se esperaría que no tuvieran masa. Pero hay indicaciones de que su masa, aunque pequeña, no es cero: se han observado oscilaciones en el “sabor” de los neutrinos, lo que implica que sí tienen masa.  Esto obliga a los físicos de partículas a revisar su modelo estándar.

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

El estudio de los neutrinos es muy difícil: puesto que interaccionan de forma muy débil con la materia, son necesarios enormes detectores. En este trabajo Viviana Niro, de la Universidad Autónoma de Madrid, y Antonio J. Cuesta y Licia Verde, de la Universidad de Barcelona, han estudiado los neutrinos “mirando al cielo”: usando todo el Universo como un inmenso detector.

De hecho los neutrinos son una fracción pequeña pero 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 en 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); pero si son muy masivos, al escapar se llevarían masa consigo… reduciendo así la masa de las acumulaciones de materia oscura.

Pero, como la materia oscura no se puede ver, ¿entonces esto no afecta a nada? “Al contrario: la materia oscura hace de andamio para la distribución de galaxias, de modo 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 investigaciónse han obtenido nuevos límites sobre el posible valor de la masa de los neutrinos. Se han comparado datos de diferentes tipos de galaxias, las que se llaman galaxias luminosas rojas (Luminous Red Galaxies) y las galaxias de líneas de emisión (Emission Line Galaxies). Estos datos experimentales han sido medidos por dos cartografiados diferentes, el Sloan Digital Sky Survey, y el cartografiado WiggleZ.

“En nuestro trabajo hemos encontrados límites muy parecidos usando estos dos tipos diferentes de galaxias. Esto indica que el resultado es sólido y robusto. Si los distintos tipos de galaxias poblaran el andamio 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 del otro tipo un valor diferente. Sin embargo, hemos obtenido 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 obtenido con sus análisis es de 0.13 eV (donde 1 electrón-Voltio, escrito 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 entre los tres estados de masa, pero no dicen su valor concreto. Siguiendo con la analogía anterior, estos experimentos dan la diferencia de peso entre los tres trajes, pero no cuánto pesa cada traje, ni cuál corresponde a qué temporada (lo que en física de partículas se llama la jerarquía de masas).

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 (los tres trajes) tiene que ser menor que 0.13 eV. También nos dice que la posibilidad de que la jerarquía de masa esté invertida (es decir, que haya sólo un neutrino ligero y los otros dos sean más pesados, en otras palabras un traje de verano muy ligero y el de media temporada y el de invierno tengan un peso muy similar) es reducida, ya que los experimentos de oscilaciones nos dicen que la masa total mínima para este caso sólo puede ser mayor que aproximadamente 0.10 eV.”, afirma la Dra. Niro

Este resultado indica que si la jerarquía de masas de los neutrinos fuera la 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, será un objetivo al alcance de los nuevos cartografiados que estarán disponibles en los próximos años.

En cambio, si estos cartografiados en vez de detectar la masa de los neutrinos pusieran un límite aún más bajo que 0.10 eV, significaría que la jerarquía de masas es la normal (dos neutrinos son ligeros y el otro es más pesado; es decir el traje de invierno es muy pesado, y el traje de verano y de media temporada son similares).

Futuros datos experimentales, como los que esperan medir 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”. Phys.Dark Univ. DOI: 10.1016/j.dark.2016.04.005

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