Existen 3’043 tipos de neutrinos en el universo según el Modelo Estándar

Los neutrinos son la segunda partícula más abundante del universo por lo que entender sus propiedades con detalle puede ayudarnos a conocer mejor la evolución del universo a gran escala.

Durante los primeros instantes tras el Big Bang, el universo era una sopa caliente y densa de partículas. Al expandirse fue enfriándose. Las partículas más masivas fueron decayendo en otras más ligeras y estables, las cuales rápidamente se combinaron para formar partículas compuestas como los protones y neutrones. Cuando el universo tenía alrededor de 1 segundo de edad, comenzó lo que se conoce como época leptónica. Durante esta era, que apenas duró unos segundos, los leptones dominaron el cosmos. Entre los leptones se encuentran los electrones, positrones y los neutrinos.

Su época llegó cuando los hadrones, las partículas compuestas por diferentes combinaciones de quarks, se aniquilaron con sus antipartículas. En la época leptónica el universo era muy diferente a su estado actual. La temperatura rondaba los mil millones de Kelvin y el universo era un lugar tan denso que los neutrinos no podían viajar libremente, sino que estaban constantemente interaccionando con otras partículas. Esto no duró mucho pues rápidamente se enfrió y expandió lo suficiente como para que la probabilidad de que un neutrino encontrara otra partícula en su camino disminuyera considerablemente. En cosmología se dice que llegado este momento los neutrinos se desacoplaron del resto de partículas del universo, formando un fondo cósmico de neutrinos. Esperamos ser capaces en el futuro de observar este fondo cósmico de neutrinos directamente pues, podríamos aprender mucho sobre los primerísimos instantes de vida de nuestro universo.

Puesto que los neutrinos son las segundas partículas más comunes, conocer sus propiedades en detalle nos puede ayudar a estudiar el universo a gran escala y su evolución desde el Big Bang hasta nuestros días. Una cantidad muy importante a conocer es lo que se llama la densidad de energía de los neutrinos que no es más que la cantidad de energía correspondiente a los neutrinos por cada unidad de volumen del universo. Una forma muy útil de parametrizar esa densidad de energía es con el número efectivo de especies de neutrinos o Neff. Este número nos dice la contribución energética de los neutrinos como la cantidad de especies de neutrinos a la que correspondería.

En el universo existen, en principio, tres generaciones de partículas. Estas generaciones son copias idénticas pero más masivas de las cuatro partículas más ligeras: electrón, neutrino electrónico, quark up y quark down. La cantidad de generaciones que existen en la naturaleza ha sido un tema de activo debate desde los inicios del Modelo Estándar. Actualmente creemos que no debería haber más que 3 generaciones por diversas limitaciones impuestas por los experimentos, entre ellos por las propiedades observadas para el bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones, en el CERN. De hecho, una de las primeras restricciones a este número de generaciones vino precisamente del Neff, que limitó el número a siete hace casi 50 años.

Del hecho de que existan tres tipos de neutrinos deberíamos esperar que el número efectivo de especies de neutrinos fuera 3, es decir, que la energía contribuída por los neutrinos fuera la correspondiente a esas tres especies. Esto sería así si los neutrinos fueran partículas sin masa y si el desacoplamiento que sufrieron los neutrinos en los primeros segundos tras el Big Bang hubiera ocurrido de manera instantánea, entre otros factores. Pero esto no es así.

Por un lado los neutrinos tienen masa. No sabemos con exactitud este valor, que ha supuesto uno de los mayores problemas aún sin resolver de la física de partículas desde hace más de medio siglo, pero sí sabemos que debe ser un valor al menos un millón de veces más pequeño que el de la siguiente partícula más ligera, el electrón que a su vez es casi dos mil veces más ligero que el protón. Por otro lado, el desacoplamiento de los neutrinos no ocurrió de forma instantánea y los neutrinos siguieron interaccionando con el plasma de electrones, positrones y fotones que llenaba el universo. Esto hizo que durante los procesos de aniquilación entre electrones y positrones se transmitiera algo de energía a los neutrinos.

Aparecen también otras contribuciones, como correcciones a la masa de electrones y fotones relacionadas con las altísimas energías características de las partículas que habitaban el universo durante la época leptónica. También el hecho de que los neutrinos oscilen introduce una pequeña corrección. Todos estos efectos se conocen bastante bien desde hace más de una década pero un estudio reciente, en el que ha participado el español Miguel Escudero, ha terminado de afinar el cálculo teórico de esta cantidad. Escudero es actualmente investigador asociado al CERN y ha colaborado para este estudio con investigadores del Istituto Nazionale Di Fisica Nucleare, en Nápoles, Italia. Entre ellos están el catedrático de física Gianpiero Mangano y la catedrática Ofelia Pisanti quienes ya publicaron varios trabajos pioneros sobre el tema hace dos décadas.

Según nos comenta Escudero resulta importante afinar el cálculo teórico de Neff pues en los próximos años y décadas esperamos poder mejorar muchísimo la precisión experimental con la que medimos esta cantidad. El mejor resultado a día de hoy proviene del telescopio espacial Planck, que obtuvo un valor compatible con el cálculo teórico vigente analizando las anisotropías del fondo cósmico de microondas.

El nuevo cálculo teórico incluye todos los factores considerados anteriormente más correcciones al proceso por el cual un par electrón-positrón se aniquila para producir dos neutrinos. Aunque la contribución principal venga del proceso simple en que solo aparecen el electrón y el positrón al inicio y los dos neutrinos al final, también se darán procesos con “pasos intermedios”. Cuantos más pasos intermedios consideremos menos probables serán y menos contribuirán. Escudero considera que dada la precisión experimental que esperamos alcanzar, la contribución de los procesos con un solo paso intermedio, lo que se conoce como “next to leading order” en física de partículas, es más que suficiente. Con todo, obtienen que Neff = 3’043, es decir, que el universo debería comportarse como si algo más de tres tipos de neutrinos contribuyeran al contenido energético total. Según coincida o no este valor con lo que se obtenga de los experimentos en un futuro podrán afianzarse los modelos actuales o podremos encontrar indicios de nueva física. En la medida experimental, otra contribución a Neff puede provenir de nuevas partículas ligeras, por lo que medir un valor diferente al teórico puede apuntar en esa dirección.

Esta cantidad puede darnos pistas de lo que se conoce como física más allá del Modelo Estándar. Esto puede tomar muchas formas diferentes, desde nuevas partículas o interacciones hasta pistas sobre la composición de la materia oscura. Existen ya modelos que intentan explicar formas en las que podría abordarse esta nueva física y una medida precisa de Neff puede ayudar a descartar los que no sean válidos y realzar aquellos que concuerden con los experimentos. Ahora solo queda esperar a la mejora de la medida experimental para ver en qué dirección debemos mirar.