El número de neutrinos según el modelo cosmológico estándar es Neff = 3.043 calculado a NLO

Por Francisco R. Villatoro, el 8 agosto, 2023. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Science ✎ 11

Como bien sabrás, el modelo cosmológico estándar ΛCDM permite predecir el número efectivo de especies de neutrinos, Neff; en realidad, el cociente entre la densidad de energía de los fermiones de baja masa que se mueven a velocidades ultrarrelativistas y la densidad de energía de los fotones (Neffρν/ργ). En 2009 se estimó que era 3.046, en 2016 se rebajó a 3.045 y en 2019 a 3.044; se ha seguido trabajando para reducir la incertidumbre de dicho cálculo. Se publica en arXiv el último valor estimado, Neff = 3.0432 ± 0.0002 ≈ 3.043, que incluye las correcciones QED a segundo orden (NLO) en la dispersión entre un electrón y un positrón que da lugar a un par neutrino-antineutrino. Un cálculo complicado a nivel técnico relevante para la futura cosmología de ultraprecisión (la figura muestra el error relativo de la corrección NLO respecto a la LO). Recuerda que la estimación de precisión del telescopio espacial Planck publicada en 2020 es de Neff = 2.99 ± 0.17, pero se espera que en las próximas décadas se reduzca en un factor de diez de 0.17 a 0.014. La primera señal firme de física más allá del modelo estándar puede llegar de cualquier parte, incluso de la cosmología de ultraprecisión.

La predicción del modelo cosmológico ΛCDM es Neff = (8/7) (11/4)4/3 (ρν/ργ), donde ρν y ργ son las densidades de energía de los fermiones con masa menor que la del electrón (solo conocemos los neutrinos) y de los fotones para temperaturas menores que la asociada a la masa del electrón (Tme). Durante más de cuarenta años se ha ido mejorando poco a poco la estimación teórica del valor de Neff, incluyendo diferentes efectos asociados al desacoplamiento de los neutrinos del plasma primordial vía su aniquilación y dispersión en pares electrón-positrón, es decir, las interacciones eν→eν, ee→νν, y ee→νν(γ). El cálculo a NLO es muy complicado porque el espacio de parámetros es muy extenso, ya que tiene quince dimensiones, lo que hace inviable resolver la ecuación de Liouville que describe el equilibrio termodinámico durante el desacoplamiento de los neutrinos. Se requieren hipótesis adicionales sobre la distribución térmica de los neutrinos, que sesguen dicho espacio y permitan un cálculo factible. No tengo conocimientos suficientes para evaluar si el nuevo cálculo NLO será el definitivo, o si en los próximos años se publicarán cálculos alternativos más rigurosos, pero hasta donde llego a entender, el cálculo me parece razonable y robusto.

Un nuevo número a recordar, 3.043. Auguro que el nuevo cálculo acabará publicado en Physical Review Letters. El nuevo cálculo se ha publicado en Mattia Cielo, Miguel Escudero, …, Ofelia Pisanti, «Neff in the Standard Model at NLO is 3.043,» arXiv:2306.05460 [hep-ph] (08 Jun 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2306.05460. Sobre este tema, también puedes leer en este blog: «El legado de Planck», LCMF, 01 dic 2018; «La abundancia de isótopos de helio restringe el número de neutrinos», LCMF, 11 dic 2015; «Sobre el número de neutrinos según las medidas cosmológicas», LCMF, 19 ago 2012; así como «Primera observación indirecta del fondo cósmico de neutrinos en los datos de BOSS BAO DR12», LCMF, 09 mar 2021; «El fondo cósmico de neutrinos», LCMF, 30 nov 2015; entre otras. 



11 Comentarios

    1. Marco, puedes preguntar las cosas que no entiendas. En cosmología, la expansión cósmica influye en el contenido del universo, de tal forma que dicho contenido pasa por diferentes transiciones de fase, en las que se alteran sus propiedades y cómo se afectan entre sí. Simplificando, antes del primer segundo, cuando la temperatura del universo era mayor de diez mil millones de kelvin (1 MeV), los neutrinos están colisionando de forma continua con otras partículas fundamentales; pero cuando la temperatura bajó se desacoplaron y se empezaron a mover de forma libre (como si no existieran las demás partículas); en se momento surgió el fondo cósmico de neutrinos. Además, dicho cambio quedó marcado en el universo y se puede observar hoy en día en el fondo cósmico de microondas. La magnitud del cambio depende del número de especies de neutrinos (hoy sabemos que hay tres) y permite que la cosmología de precisión determine dicho número.

      Si necesitas información más divulgativa, hay mucha que puedes buscar en la web. Por ejemplo, Pablo Fernández de Salas, «El universo temprano (I): el desacoplamiento de los neutrinos», IFIC, 15 sep 2020.

      1. El otro problema de las explicaciones científicas, es su lenguaje : o sea no saber usar lenguaje más simple para explicar esas situaciones «aparentes» !!!
        El método «docente» brilla por su ausencia !!!
        Y también no saber «explicar» en que puede «afectar» , o para que puede «servir» esos «conocimientos» a un individuo común!!!!

          1. A mí me ha pasado lo mismo, Francis.
            El número obtenido es 3,043. Es decir, muy próximo al entero 3 de las tres especies de neutrinos, que es lo esperado en el modelo actual de física de partículas, ¿no?
            Según esto, la cosmología apoyaría la idea de que solo hay 3 familias de fermiones, ¿no?

          2. Guillermo, como puedes leer en mi pieza, la estimación cosmológica observacional es 2.99 ± 0.17 especies de neutrinos (con masa inferior a la del electrón). El número 3.043 es la nueva estimación cosmológica teórica (que, por ejemplo, en 2009 era 3.046). Las desintegraciones del bosón Z en el colisionador LEP2 estimaron un número de 2.984 ± 0.008 familias de neutrinos. En el modelo estándar, en su formulación actual, el número de familias de neutrinos (de masa inferior al bosón Z) es tres (el mismo que el de leptones cargados y quarks).

  1. Gracias por poner sobre la mesa que la ciencia no se aprende leyendo 4 titulares mal redactados y peor desarrollados por agencias de noticias o medios de comunicación que copian-pegan lo que encuentran.

    No suelo interactuar por estos canales pero creo que la gente como tú debe de saber que a algunos nos encanta leer artículos como estos, aunque buena parte de ellos nos exija ampliar la búsqueda para hacernos una idea.
    O precisamente por ello.

      1. Gracias doctor Villatoro. Me cuesta mucho seguir algunos razonamientos, pero me fascina la Ciencia. Todo mi respeto y agradecimiento para las y los científicos que invertis vuestro tiempo libre en divulgar Ciencia. Y sobre todo cuando es Ciencia de frontera. Algunos son tan despistados que no saben la suerte que tenemos. Gracias.

Deja un comentario