El fondo cósmico de neutrinos

Dibujo20151108 neutrino energy IceCube collaboration NSF University of Wisconsin

El fondo cósmico de neutrinos (CNB, CnuB o CνB) se formó cuando el universo tenía menos de un segundo tras el big bang y los neutrinos se desacoplaron de la materia. Hoy en día su temperatura debe ser de 1,9 K y está formado por neutrinos con una energía muy baja (meV), unos mil millones de veces más pequeña que la de los neutrinos solares (MeV).

La existencia del CNB ha sido confirmada de forma indirecta gracias a la nucleosíntesis primordial, la distribución de grandes estructuras en el universo y las anisotropías del fondo cósmico de microondas (CMB). Un nuevo artículo en Physical Review Letters ha observado nuevas señales indirectas de su existencia en el fondo cósmico de microondas (CMB) observado por el telescopio espacial Planck de la ESA. En concreto, el desplazamiento de la fase de las oscilaciones acústicas del CMB introducido por el CNB.

El artículo es Brent Follin, Lloyd Knox, Marius Millea, Zhen Pan, «First Detection of the Acoustic Oscillation Phase Shift Expected from the Cosmic Neutrino Background,» Phys. Rev. Lett. 115: 091301 (26 Aug 2015), doi: 10.1103/PhysRevLett.115.091301arXiv:1503.07863 [astro-ph.CO].

Más información divulgativa en Matthew Francis, «Signs of neutrinos from the dawn of time, less than a second after the Big Bang. First unambiguous observation of the cosmic neutrino background,» Ars Technica, 08 Sep 2015; Ethan Siegel, «CONFIRMED: The Last Great Prediction Of The Big Bang! A leftover glow unlike any other — of neutrinos — has finally been seen,» Starts with a Bang, 27 Sep 2015.

Dibujo20151107 undamped power spectra signal cosmic neutrino background

Los neutrinos del CνB se mueven a una velocidad mayor que la velocidad del sonido en el plasma primordial antes de la formación del CMB. Gracias a ello distribuyen la energía potencial gravitacional en el plasma afectando a sus oscilaciones acústicas, tanto en amplitud como en fase. La influencia conjunta es sutil pero ha sido observada, lo que se considera una observación indirecta del CνB en el CMB. El nuevo artículo ha logrado aislar (o separar) ambos efectos. La señal en la fase es mucho más robusta (no se puede explicar fácilmente por otros medios) y se puede interpretar como la observación definitiva (aunque indirecta) del CνB en el CMB.

La observación indirecta del CνB en el CMB gracias a la fase de las ondas acústicas se ha podido lograr gracias a la gran precisión en las medidas del CMB obtenidas por el telescopio espacial Planck. Se han comparado los resultados de simulaciones por ordenador del CMB bajo dos hipótesis, que existe el CνB y que no existe; también se han realizado simulaciones por ordenador con un número variable de especies (sabores) de neutrinos. Los resultados observados están de acuerdo con lo esperado.

La primera detección indirecta del CNB que es independiente del modelo ha copado varios titulares. Futuros estudios observarán el CNB en la polarización del CMB e incrementarán la robustez de esta nueva observación. Por supuesto, la detección directa del CνB es el objetivo de algunos proyectos de investigación, como PTOLEMY. Estos proyectos se basan en usar la desintegración radiactiva beta. Los interesados en más información pueden consultar Yu-Feng Li, «Detection Prospects of the Cosmic Neutrino Background,» International Journal of Modern Physics A 30: 1530031 (2015), doi: 10.1142/S0217751X15300318arXiv:1504.03966 [hep-ph]; S. Betts et al., «Development of a Relic Neutrino Detection Experiment at PTOLEMY: Princeton Tritium Observatory for Light, Early-Universe, Massive-Neutrino Yield,» arXiv:1307.4738 [astro-ph.IM].



2 Comentarios

  1. Creo entender que cuando se dice que la temperatura del fondo cósmico de microondas es de 2.73 K, el significado es que los fotones que nos llegan desde los confines del Universo tienen una distribución espectral de energía indistinguible de la de los fotones que generaría en un laboratorio un cuerpo negro a 2.73 K en equilibrio termodinámico. (Salvo las conocidas fluctuaciones de diezmilésimas de Kelvin)
    Pero ¿qué quiere decir exactamente que hoy en día la temperatura del fondo cósmico de neutrinos es de 1.9 K? Muchas gracias y saludos.

    1. Albert, el cuerpo negro más perfecto que se ha observado es el CMB (en ningún laboratorio se puede lograr un cuerpo negro tan perfecto). Con los neutrinos pasa exactamente lo mismo que con los fotones, se desacoplaron del plasma (la materia) y como todo «gas» de partículas tiene una temperatura que ha decrecido conforme el universo se ha expandido (el CNB también se comporta como un cuerpo negro casi perfecto, aunque de fermiones, no de bosones). Los neutrinos siguen la estadística de Fermi-Dirac en lugar de la estadística de Bose-Einstein, pero el concepto de cuerpo negro es aplicable ambos casos (la diferencia es un signo). No sé cuál es el origen de tu duda (si has estudiado física estadística o termodinámica física habrás estudiado todo esto).

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 30 noviembre, 2015
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