La masa del neutrino y sus implicaciones cosmológicas

La masa del neutrino y sus
implicaciones
cosmológicas
El neutrino es una partícula emitida en la desintegración beta donde un
protón reacciona con un antineutrino convirtiéndose en un neutrón y un
positrón (reaction#1) ó un protón interacciona con un electrón para
producir un neutrón y un neutrino.
En el Modelo Estándar de la física de partículas, el neutrino es una
partícula que no tiene masa. Sin embargo se pueden hacer
modificaciones en la teoría que permita la existencia de neutrinos
masivos de forma que tienen que ser las observaciones o los
experimentos los que decidan cuál es el caso. Al ser el neutrino una
partícula sin masa o tremendamente ligera se mueve a la velocidad de la
luz o a velocidades muy cercanas, lo que los convierte en lo que se
denominan partículas relativistas. Actualmente se denomina a cualquier
tipo de partículas relativistas en cosmología materia oscura caliente (del
inglés Hot Dark Matter ó abreviado HDM)
La nucleosíntesis primigénea establece que el número de tipos de
neutrinos sólo puede ser tres (hecho que confirman los experimentos del
CERN. Ver Hansen et al. 2001 y kneller et al. 2001) y que su número
actual tiene que ser del orden de unos 115 neutrinos de cada especie por
centímetro cúbico. Teniendo en cuenta que la densidad crítica es del
orden de 2 ó 3 átomos de hidrógeno por metro cúbico, si los neutrinos
tienen que contribuir con algo así como del orden de la densidad
detectada (1/3 de la densidad crítica aprox.) tendríamos que unos 100
millones de neutrinos tendrían que pesar algo así como un átomo de
hidrógeno. Un átomo de hidrógeno pesa (en unidades de energía) unos
1000 MeV. Por tanto la masa del neutrino tendría que ser del orden de
unos 10 eV para que pudiera constituir el resto de la masa oscura.
Pero si los neutrinos constituyen la masa dominante de estructuras
como galaxias podemos hacer una nueva estimación de la masa del
neutrino de la siguiente manera: Las galaxias tienen unas masas
dinámicas que podemos deducir aproximadamente del simple hecho de
que las estrellas estén unidas gravitatoriamente al cuerpo de la galaxia.
Se debe cumplir entonces que la energía de ligadura gravitatoria (G m
M/r) sea como muy poco del orden de la energía cinética de las estrellas
(1/2 m v2), con objeto de que éstas no escapen de sus órbitas. Por
ejemplo, para nuestra galaxia, con el Sol situado a unos 10 kpc gira con
una velocidad de unos 220 km/s implica una masa mínima de algo más
de 5 ×109 masas solares. Los neutrinos son fermiones (partículas de spin
semientero) y el principio de exclusión de Pauli establece un máximo de
densidad de neutrinos del orden de un millón por centímetro cúbico. Esto
establece una masa mínima para el neutrino de unos 30 eV, lo que es
incompatible con el cálculo anterior que establecía un límite superior de
unos 10 eV.
Las medidas del experimento Super-Kamiokande de 1999 indican que
la masa del neutrino es probablemente mucho menor que esta cantidad.
La medidas del CERN ponen un límite superior a la masa del neutrino
más pesado de unos 9 eV. Medidas más recientes estiman la suma de
los tres tipos de neutrinos en algún lugar entre 0.05 y 8.4 eV .
Las observaciones de la supernova 1987A también son compatibles
con la existencia de tres tipos de neutrinos y con un límite superior de la
masa del neutrino electrónico de unos 25 eV. Un análisis bayesiano de
esos datos (Loredo & Lamb 2001) ponen un límite superior a la masa del
antineutrino electrónico en unos 5.7 eV.
Pero hay un problema más grave que todo esto. Cuando ponemos
tanta masa de neutrinos en el universo, las grandes estructuras
galácticas como los supercúmulos tienden a formarse primero que las
pequeñas estructuras como los cúmulos de galaxias (que se suele
denominar formación de arriba a abajo), lo que contradice las
observaciones que indican una formación relativamente reciente de las
grandes estructuras (más compatible con una formación de estructuras
jerarquizada de abajo a arriba). Además las concentraciones de materia
en los grandes supercúmulos sería considerablemente mayor de lo
observado.
Comparación
entre la
distribución de
galaxias
observada (c), y
una simulación
numérica de las
estructuras
galácticas
resultantes en un modelo de universo con neutrinos (b) y un modelo de universo
con partículas más masivas y lentas (a)