FONDO DE NEUTRINOS CÓSMICOS

 En homenaje a mi abuela materna Ramona Rosa Bordón de Vallejos, a la primera escuela de cariño, respeto y humildad.

Introducción

Al día de hoy no hay ninguna prueba del nacimiento del Universo a partir de una singularidad (En física eso no existe, solo en matemática hay unos cocientes que dividen por cero en la métrica de la Relatividad General). Para darle un cierre ad hoc aparece la teoría de la inflación (algo que acelera el universo a velocidades mágicas y luego de la misma forma se detiene sin generar ondas devastadoras como un tsunami, donde aparece la materia y la energía).

La métrica FLRW no tiene términos cruzados, porque no hay distorsiones en forma de radiación gravitatoria en el universo. Medimos en todas direcciones la misma contante de Hubble, la discrepancia se da por épocas y no por dirección en la que miremos el universo. Por lo menos es más o menos lo que nos dice la tecnología al alcance. Eso significa que la constante de Hubble no fue tan constante en la vida del Universo.

Estudiamos los fotones primordiales, hasta ahí llega nuestra comprensión del Universo Temprano. Podemos generar El Espectro de Potencias de Radiación del Fondo Cósmico de Microondas (The Cosmic Microwave Background Radiation o CMB). ¿Qué lo único certero que nos dices eso? Que el Universo Temprano la materia no se enfrió al mismo tiempo, sino por etapas, como una secuencia o proceso, esas etapas quedaron registradas en picos y valles.

Luego comienza la imaginación a jugarnos en contra. Como por ejemplo cocientes de materia bariónica y materia oscura o materia exótica que empujan el Universo, nada de eso está probado. Y tiene menos adeptos incluso dentro de los que más se aferran a defender la teoría que lleva de nombre “Big Bang” (el nombre no quiere decir nada, es solo un nombre, como llamar Agujeros Negros a objetos maravillosos que nos aportan gran información).

Por estudios científicos podemos interpretar que, si tenemos materia con una alta densidad y conocemos los elementos químicos de forma aproximada que la componen, sabemos como se comportar algunas partículas en el caso de los fotones y los neutrinos (aquellos descubiertos al día de hoy).

De ahí que la comunidad científica estima que hubo un proceso, no instantáneo de emisión de NEUTRINOS antes que de fotones (lo esquematizamos como una onda en desfase). Significa que los neutrinos se despegaron del plasma antes que los fotones.

Estas partículas (neutrinos) en el Universo Temprano es un aporte de información muy valiosa que contrasta con los fotones. El desafío es consolidar esos datos y por supuesto interpretarlos. Para eso la física de Estrellas de Neutrones avanzó mucho y nos puede dar información en el área de la Física Nuclear. Por ejemplo, la emisión de neutrinos. Ya que el ESTUDIO DE ESTRELLAS DE NEUTRONES tiene información directa de esos procesos en contraste con las masas de esos objetos astronómicos.

POR ENCIMA DE CUALQUIER ESPECULACIÓN TEÓRICA. DIGAMOS QUE ESTÁ MÁS AVANZADA QUE OTRAS ÁREAS. 

A que me refiero cuando digo interpretación de los resultados: Cuando vemos un gráfico de Potencias de la CMB van a escuchar a muchos científicos que es una representación exacta de lo que pasó en el Universo Temprano, en el cual se toma en cuenta la Materia Oscura. También sabemos que si utilizando una calculadora online como por ejemplo https://cmb.wintherscoming.no vamos a notar que el primer pico aumenta si quitamos la materia oscura. Entonces ustedes dirán, resuelto el enigma, existe Materia Oscura.

Pues bien, Vera Rubín hizo un gran descubrimiento a finales de la década de los 60´ y/o principio de los 70, según la bibliografía. Descubrieron un efecto en los halos galácticos. Ese efecto no necesariamente es materia “exótica” que no vemos, ni detectamos con ninguna tecnología. Puede ser el efecto de la fuerza de arrastre que produjo el sistema cuando nacieron las galaxias, pero ese efecto no es el equivalente directo de la masa, sino a la FUERZA DE ARRASTRES QUE ES EQUIVALENTE A LA MASA Y LA VELOCIDAD CON LA QUE SE MOVÍA EL SISTEMA O LA FRONTERA.

Esa fuerza de arrastre se imprimió en un fluido con una determinada velocidad rotacional y viscosidad en su formación, mientras el centro del sistema acumulaba más materia que los halos por gravedad (el sistema decrecía en densidad y temperatura).

Con el tiempo la fuerza de arrastre se retiró y el centro del sistema con mayor acumulación de materia, la velocidad radial o tangencial del sistema de partículas aumentó en su centro (donde ya se encontraba más materia). Van a encontrar más información en la anterior entrada “Dark Age”.  Por supuesto que esa es solo mi hipótesis que cada día se hace más fuerte.

Esto quiere decir que la interpretación del “excedente de neutrinos” o valor más elevado de Neff, entre comillas ya que se estudia la energía en el desacople del plasma y si hay alguna partícula por descubrir. Cuando descubrimos una partícula nueva la tenemos que detectar por si misma o por su residuo (descomposición o decaimiento) en otras partículas, y la interacción con las demás partículas del modelo estándar. Lo que “por ahora” quita la posibilidad a neutrinos estériles. Seguimos con solo tres sabores de neutrinos y los respectivos antineutrinos. No es ni bueno, ni malo, es ciencia...

Esa información que buscamos es crucial y debemos madurar una idea más realista en términos cosmológicos de un modelo que en la realidad pueda demostrarse por el conjunto de datos y pruebas.

Hoy al 2021, después de más de 60 años vamos a seguir buscando fantasmas por otros 60 o 70 años más... No creo que sea un pecado. El pecado es cerrarnos a una sola interpretación.

La masa bariónica del Universo es 3.57 x 10^51 kg diez ordenes inferior a la masa bariónica más la materia oscura que es de 2.18 x 10^52 kg. Tomando un radio de 1.229 x 10^26 m con las respectivas densidades de materia bariónica y materia bariónica más Dark Matter.- (Densidad es igual a masa sobre volumen). 

Esta formula no es para descartar la materia oscura, sino para ver que a medida que baja la densidad del universo la influencia de esa materia va a ser menor sobre la luz que se desplaza. Además, que por obvias razones el tiempo se está acelerando. Ya que el tiempo corre más lentamente cuando hay mayor influencia de materia, y el universo con el tiempo se hace menos denso.

 

Por Pablo Fernández (Neff):

“Nada menos que procesos como el

1°) Desacoplamiento de los neutrinos.

2°) La aniquilación de pares electrón-positrón (e⁻e⁺).

3°) La nucleosíntesis primordial”.

“El número efectivo de neutrinos (representado matemáticamente como Neff) se trata de un parámetro cosmológico, lo cual quiere decir que su valor nos indica cierta propiedad del Universo. En concreto, el número efectivo de neutrinos mide la contribución a la radiación que hubo en el universo temprano que no procede de los fotones, las partículas de la luz”.

“En concreto, el valor de Neff está cuantificado en términos de la contribución correspondiente a una única especie de neutrino en un escenario idealizado. Conviene resaltar, no obstante, que el valor experimental de Neff ofrece información no solo de los tres tipos de neutrinos estándar que se conocen, sino de cualquier partícula distinta de los fotones que contribuyera a la radiación del universo temprano”.

“Además, como hemos dicho, es cierto que el desacoplamiento de los neutrinos comenzó antes de que lo hiciera la aniquilación de pares electrón-positrón, pero ninguno de estos dos procesos es instantáneo. Esto conlleva que el desacoplamiento de los neutrinos acabe cuando la aniquilación de pares electrón-positrón ya ha dado comienzo”.

“La presencia de un número mayor de neutrinos de más energía conlleva una mayor contribución a la radiación del Universo temprano. Es decir, su contribución al número efectivo de neutrinos es mayor, por lo que Neff aumenta con respecto a su valor ideal.

Finalmente, si tenemos en cuenta cuidadosamente todos los efectos que cambian el valor de Neff con respecto a su valor ideal (que sería 3), llegamos al resultado de que Neff = 3.044”.

 

Fuente: https://bloggy.ific.uv.es/bloggy/index.php/2021/06/16/el-universo-temprano-iii-el-numero-efectivo-de-neutrinos/

_____________________________________________________________________

 

Se cree que el Cosmic Neutrino Background (CNB) tiene una temperatura aproximada de 1.95 K al día de hoy. [1]

Modelo: La ciencia está en carrera y no hay área más avanzada en aspectos teóricos que el estudio de las Estrellas de Neutrones.

Dentro de esta área tenemos el estudio de emisión de Neutrinos.

Tabla [2]

 

 

 

Tesis PhD Thesis Teguayco Pinto Cejas

Para Temperatura en el intervalo de [1; 0,3] MeV. En esta época se produce el desacoplamiento de neutrinos y poco más tarde la aniquilación de electrones y positrones transfiriendo su entropía a los fotones. Aproximadamente en este momento, las interacciones débiles que interconvierten neutrones y protones se congelan. Cuando esto ocurre, la relación entre neutrones y protones viene dada por su valor de equilibrio.

(n/p) = 1/6

Después de descongelarse, esta proporción no permanece realmente constante, sino que en realidad disminuye lentamente debido a interacciones débiles ocasionales (eventualmente dominadas por desintegraciones de neutrones libres). En este momento, las especies nucleares ligeras todavía se encuentran en NSE con abundancias muy pequeñas.

NSE: Bajo ciertas condiciones físicas, todas las reacciones directas e inversas proceden tan rápido que se establece la llamada NSE, cuando las concentraciones de todos los nucleidos y las propiedades termodinámicas de la materia están determinadas por condiciones de equilibrio termodinámico.

Para Temperatura de intervalo [0,3; 0,1] MeV. En ese momento, el número de grados de libertad ha disminuido de 10,75 a 3,36 debido a ambos, el desacoplamiento de los neutrinos y la aniquilación electrones y positrones. Además, debido a la desintegración de neutrones, la fracción de protones ha caído a un valor de ~ 1/7. Es entonces cuando la producción de D (Deuterio) comienza a ser efectiva, dando lugar a una reacción en cadena, que dará como resultado la formación de ⁴He. Por lo tanto, la cantidad de ⁴He producido depende de la tasa de expansión del universo. Si se propaga más rápido, habrá un enfriamiento rápido y por lo tanto la cantidad de D que se desintegra será menor y, al mismo tiempo, la cantidad de neutrones será mayor, ya que no hay tiempo suficiente para que los neutrones se desintegran.

Como hemos visto, en resumen, los neutrinos tienen un doble impacto en BBN. Por un lado, a través de los procesos de conversión n ida y vuelta a p mediados por interacciones débiles que se ven directamente afectadas por el espectro de neutrinos junto a electrones, positrones y neutrinos, antineutrinos.

Por otro lado, como componente de la radiación de fondo, que afectan la tasa de expansión del universo a través de la relación. La tasa de expansión determina cuándo y cómo comienza la producción de ⁴He. Este hecho puede utilizarse para establecer un límite en el número de especies relativistas.

Imagen [3]

electrones-positrones, tres neutrinos distribuidos térmicamente corresponden a Neff = 3 en el desacople instantáneo.

POR SUPUESTO ALGO QUE PARECE NO OCURRIR ASÍ. Dejo de referencia bibliografías con la tesis completa.

 

[1] Beta Decay and the Cosmic Neutrino Background DOI: 10.1051/epjconf/20147100044.

[2] Neutrino Emission from Neutron Stars D.G. Yakovlev O.Y. Gnedin, A.D. Kaminker, and P. Haensel.

[3] Detailed study of the decoupling process of cosmological relic neutrinos PhD Thesis

Teguayco Pinto Cejas June 2008.

 

 

_____________________________________________________________________

 

Neutrinos

EL TRABAJO POR DELANTE ES SIMPLE, PRIMERO MEDIMOS EXPERIMENTALEMTNE (OBSERVACIÓN) SOBRE Neff, EL VALOR MÁS FIABLE QUE PODAMOS ALCANZAR. LUEGO, CONSOLIDAMOS UN MODELO QUE EXPLIQUE ESE VALOR. Y SI LOGRAMOS DETECTAR NEUTRINOS PRIMORDIALES MEJOR.

Desde el punto de discrepancia en la emisión de radiación que se mide con Neff del que si bien hay muchas interpretaciones por las circunstancias las más factibles de análisis son las de objetos en rotación heredadas de las Estrellas de Neutrones.

Análisis de Neff dentro de lo que se encuentra el estudio de neutrinos primordiales.

·         Tenemos el fondo de neutrinos cósmico CvB gracias a su descubrimiento Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) [1].

·         Tenemos la medida teórica de la medición Neff Medida teórica de Neff= 3.0440 +/- 0.0002.  a la que le podemos sumar muchas hipótesis más. [2] 

·         Lo que mide Planck 2015 es de Neff = 3.046. [3]

·         Posible detección directa de neutrinos primordiales [4] DUNE and Hyper-K.

·         También tenemos el estudio de las masas de los neutrinos con dos experimentos 1° KATRIN Experiment y 2° PTOLEMY Experiment. [5]

·         Los experimentos que va a aumentar la certeza en el valor de probabilidad son 1° DESI Survey y 2° EUCLID nave space. [6]

·         Descarto correcciones que crean más hipótesis sobre hipótesis no probadas como Applying the Halo Model to Large Scale Structure Measurements of the Luminous Red Galaxies: SDSS DR7 Preliminary Results [7]

 

[1] First constraint on the neutrino-induced phase shift in the spectrum of baryon acoustic oscillations doi:10.1038/s41567-019-0435-6.

[2] Towards a precision calculation of Neff in the Standard Model II arxiv:2012.02726v3.

[3] Planck 2015 results. XIII. Cosmological Parameters arXiv:1502.01589v3.

[4] White Paper on New Opportunities at the Next-Generation Neutrino Experiments /

https://www.dunescience.org / http://www.hyper-k.org/en/.

[5] https://www.katrin.kit.edu y https://www.iff.csic.es/neutrino-physics-with-the-ptolemy-project-active-neutrino-properties-and-the-light-sterile-case/.

[6] Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) https://www.desi.lbl.gov y https://wpo-altertechnology.com/es/mision-euclid/.

[7] Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 194 (2009) 129–132; Beth A. Reid -Institute of Space Sciences (CSIC-IEEC), UAB, Barcelona 08193, Spain-.