Neutrinos a la Balanza: Explorando los Límites del Modelo Cosmológico Estándar

Portada: “Neutrinos Are…” poster, Fermilab.

Datos del artículo científico:

• Título Original: “Cosmological limits on the neutrino mass sum for beyond-ΛCDM models“
• Autores/as: Helen Shao, Jahmour J. Givans, Jo Dunkley, Mathew Madhavacheril, Frank Qu, Gerrit Farren, Blake Sherwin
• Fecha de publicación: 3 de Septiembre del 2024
• Estado del artículo: Enviado al arXiv.

A pesar de su naturaleza escurridiza y su casi nula masa, los neutrinos tienen un impacto sorprendente en la estructura del cosmos. ¿Cómo nos ayudan estos fantasmales viajeros a desentrañar los secretos del universo y qué nos dicen los últimos estudios sobre su masa y su rol en la expansión del cosmos?

Los Fantasmas del Cosmos

Los neutrinos son partículas subatómicas extremadamente ligeras y elusivas que tienen el honor de ser la partícula con masa más abundante del Universo. Existen en tres “sabores” diferentes: electrónico, muónico y tauónico, correspondientes a los tipos de partículas con los que están asociados (electrón, muon y tau). Aunque se han llevado a cabo décadas de investigación, la masa precisa de cada tipo de neutrino y la suma total de sus masas siguen siendo un enigma. La dificultad para detectar estas partículas y el fenómeno de oscilación de neutrinos, en el que cambian de sabor mientras viajan, complican aún más la medición exacta de sus masas individuales.

A pesar de su masa casi nula y de interactuar solo a través de la fuerza nuclear débil y la gravedad, los neutrinos desempeñan un papel crucial en la evolución del universo. Estas partículas se generan en el interior de las estrellas, en supernovas y en eventos astrofísicos de alta energía, y su impacto es clave para comprender la formación de la estructura a gran escala. Esta “estructura a gran escala” se refiere a la red cósmica de galaxias, cúmulos de galaxias y vacíos que conforman la distribución del universo. Los neutrinos actúan como amortiguadores, ralentizando el crecimiento de estas estructuras debido a su capacidad para dispersarse rápidamente, lo que afecta el proceso de formación de galaxias y cúmulos de galaxias.

El Modelo Estándar y sus Límites

El modelo estándar de cosmología, conocido como ΛCDM, describe el universo como compuesto principalmente por dos componentes clave: la energía oscura (Λ) y la materia oscura fría (CDM). La energía oscura es responsable de la expansión acelerada del universo, mientras que la materia oscura fría, que no interactúa con la luz, tiene una influencia gravitacional crucial en la formación de galaxias y estructuras a gran escala. Este modelo, que también incluye la materia visible y la radiación, ha sido muy exitoso en explicar una amplia gama de observaciones, como el fondo cósmico de microondas (CMB) y la distribución de galaxias.

El modelo ΛCDM permite establecer un límite superior para la suma de las masas de los neutrinos: 0.12 eV. Si la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos fuera mayor que este límite, debería manifestarse en observaciones que actualmente no vemos en nuestros datos.

A pesar de su éxito, el modelo ΛCDM no lo explica todo. La naturaleza exacta de la energía oscura y la materia oscura sigue siendo desconocida, y es posible que la energía oscura pueda variar con el tiempo, lo que sugiere la necesidad de ajustes en el modelo. En el artículo original se propone que al permitir que la energía oscura sea dinámica (cambiante a lo largo del tiempo), se podría obtener nuevas restricciones sobre la masa de los neutrinos y mejorar la concordancia con observaciones recientes del Universo, siguiendo una idea muy similar (en espiritu) al de este astrobito. Esto podría indicar que la realidad del cosmos es más compleja de lo que el modelo ΛCDM nos revela actualmente.

Métodos Cósmicos

Para llevar a cabo este estudio, los investigadores utilizaron datos recientes de diversas observaciones astronómicas. El objetivo es inferir, a partir de propiedades observables, parámetros que podemos comparar con el modelo ΛCDM y sus extensiones.

El satélite Planck, lanzado por la Agencia Espacial Europea, mide las fluctuaciones de temperatura en el fondo cósmico de microondas (CMB), proporcionando una visión del universo temprano. El Telescopio Cosmológico de Atacama (ACT), ubicado en Chile, también estudia el CMB, pero con mayor resolución. Estas fluctuaciones su usan para inferir parámetros como la densidad de energía de la energía oscura, entre otros.

Los datos de oscilaciones acústicas de bariones (BAO), que rastrean la distribución de galaxias a partir de ondas del universo temprano, fueron obtenidos de mediciones recientes del Telescopio de Sondeo de Energía Oscura (DESI) y del Sloan Digital Sky Survey (SDSS), entre otros (este astrobito habla en más detalle de los observables del BAO). Las supernovas tipo Ia, que actúan como indicadores precisos de distancia, también se utilizaron. Al combinar toda esta información, los investigadores pueden profundizar en cómo los neutrinos influyen en la evolución de la estructura cósmica.

¿Más masa para los neutrinos?

El análisis estadístico muestra que, en modelos que permiten una energía oscura dinámica, el límite superior para la suma de las masas de los neutrinos aumenta ligeramente, hasta 0.19 eV (Figura 2), en comparación con el límite de 0.12 eV del modelo estándar (Figura 2). Aunque esta diferencia es pequeña, tiene implicaciones importantes: sugiere que en estos modelos extendidos, los neutrinos podrían tener un poco más de masa de lo que se pensaba anteriormente, teniendo implicaciones profundas en física de partículas (específicamente, en las oscilaciones de neutrinos).

Sin embargo, es importante no dejarse llevar por el entusiasmo. Los modelos con energía oscura dinámica y otras variaciones no logran ajustar los datos mejor que el modelo estándar. Es decir, aunque exploremos nuevas posibilidades teóricas, los datos indican que el modelo estándar sigue siendo el preferido, lo que refuerza el límite de 0.12 eV para la suma de las masas de los neutrinos.

En resumen, aunque el modelo estándar de cosmología ha sido notablemente exitoso en explicar la estructura a gran escala del universo, es valioso explorar modelos alternativos. Los modelos con energía oscura dinámica son extensiones interesantes del modelo estándar que merecen ser investigadas. El ligero aumento en el límite superior para las masas de los neutrinos al considerar una energía oscura dinámica subraya la sensibilidad de nuestros modelos cósmicos a nuevas físicas. A medida que avanzan las técnicas de observación y los modelos teóricos, nos acercamos a desentrañar la verdadera naturaleza de la energía oscura, la materia oscura y los neutrinos, prometiendo una comprensión más profunda de los mecanismos fundamentales del cosmos ¡Hay que estar atentos a futuras observaciones para llevar a los neutrinos a la balanza!