Una discrepancia en la masa de los neutrinos podría sacudir los cimientos de la cosmología.

A medida que el universo joven se congelaba bajo la atracción de la gravedad, la materia se enredaba en galaxias, cúmulos de galaxias y filamentos, tejiendo una red cósmica deslumbrantemente intrincada. La estructura de esta red se debe, en parte, a la labor de los neutrinos, partículas subatómicas ligeras que surcan el cosmos en cantidades inimaginables.

Debido a que se desplazan a altas velocidades y rara vez interactúan con otra materia, las partículas no eran atrapadas fácilmente en la melaza gravitatoria de esa estructura enrejada. Por lo tanto, su presencia despejó las telarañas, obstaculizando la formación de detalles finos en este filigrana cósmica.

Science News está recopilando preguntas de lectores sobre cómo navegar el cambio climático de nuestro planeta.

¿Qué te gustaría saber sobre el calor extremo y cómo puede llevar a eventos climáticos extremos?

Las masas de los neutrinos son menos de un millonésima parte de las del siguiente partícula más ligera, el electrón, pero nadie sabe exactamente cuán masivas son. Son el único tipo conocido de partícula subatómica fundamental para la cual esta propiedad básica es desconocida, y algunos investigadores sospechan que este conocimiento faltante podría ser una puerta de entrada a una nueva comprensión de la física.

"Los neutrinos son una de las partículas clave que no entendemos tan bien como otras, pero que tienen consecuencias cosmológicas profundas", dice el cosmólogo de partículas Miguel Escudero del laboratorio de física de partículas europeo CERN cerca de Ginebra.

El papel desproporcionado de estas pequeñas partículas en la creación del universo significa que conectan el mundo subatómico, generalmente estudiado en aceleradores de partículas o laboratorios de física, con el cosmológico discernido al mirar a los cielos. Por lo tanto, los científicos están utilizando tanto observaciones del espacio como experimentos en tierra en un intento de resolver este misterio masivo.

Pero si le preguntas a un cosmólogo cuánto pesan los neutrinos y haces la misma pregunta a un físico de partículas, podrías obtener dos respuestas diferentes. Los métodos de ambos grupos para medir esas masas están mostrando signos de desconexión.

Los datos cosmológicos recientes recopilados por el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura, o DESI, favorecen masas que son inesperadamente pequeñas y se acercan peligrosamente al conflicto con las de los experimentos de física de partículas. De hecho, algunas interpretaciones de los datos de DESI sugieren que los neut...

DESI mapea las estructuras cósmicas para determinar la tasa de expansión, a través de un efecto conocido como oscilaciones acústicas de bariones, ondas de sonido que imprimieron patrones circulares en el universo muy temprano. Al rastrear esos patrones en diferentes momentos de la historia del universo, los científicos pueden seguir su crecimiento, un poco como los anillos de un árbol cósmico.

Mientras tanto, el fondo cósmico de microondas, luz liberada 380,000 años después del Big Bang, revela la irregularidad del cosmos. A medida que la luz del fondo cósmico de microondas atraviesa el espacio, su trayectoria se dobla por los bolsillos de materia en su viaje, al igual que la luz que pasa a través de una lente. La cantidad de este lenteo gravitacional le dice a los científicos qué tan irregular es el cosmos.

Combinando las mediciones de irregularidad del fondo cósmico de microondas y la tasa de expansión de DESI —dos cosas que los neutrinos afectan— permite a los científicos centrarse en su masa.

Los datos de DESI, combinados con los datos del fondo cósmico de microondas del satélite Planck de la Agencia Espacial Europea, brindan un límite de masa para los neutrinos. Específicamente, la suma de las tres masas de neutrinos es menor que aproximadamente 0.07 electronvoltios con un nivel de confianza del 95 por ciento, informaron los investigadores en línea en abril en arXiv.org. (Un electronvoltio es una unidad que los físicos usan para cuantificar la masa. La masa de un electrón es de aproximadamente 511,000 electronvoltios.)

Además de un límite de masa para los neutrinos, también hay un límite inferior, basado en experimentos de física de partículas de laboratorio. Estos experimentos miden un fenómeno llamado oscilaciones de neutrinos, que resulta del hecho de que cada tipo de neutrino es una mezcla cuántica de masas diferentes. El mezcla de masas significa que los neutrinos pueden cambiar de una variedad a otra mientras viajan (SN: 10/6/15). Lo que comienza como un neutrino de muón podría ser detectado más tarde como un neutrino de electrón.

Los detectores de neutrinos pueden detectar esta transformación. Debido a que las oscilaciones dependen de la relación entre las diferentes masas de neutrinos, estos experimentos no pueden medir directamente las masas en sí mismas. Pero indican que la suma de las tres masas de neutrinos debe ser mayor que aproximadamente 0.06 electronvoltios.

Esto significa que el rechazo de DESI de masas de neutrinos mayores a aproximadamente 0.07 electronvoltios está alarmantemente cerca de descartar por completo el rango de masas permitido por los experimentos de oscilación. El límite superior y el límite inferior están casi tocándose.

Todavía hay un poco de margen —un espacio reducido, tal vez— para que las masas de neutrinos vivan en armonía con la cosmología y los experimentos de oscilación. Pero el resultado de DESI es sorprendente por otras razones. Por un lado, el valor que DESI señala como más probable para la suma de las masas de neutrinos es cero —ninguna masa en absoluto.

Además, cuando se agregan datos cosmológicos adicionales a los datos de DESI y Planck, como catálogos de estrellas explosivas que también miden la tasa de expansión del universo, el límite superior de la masa disminuye aún más, a menos de 0.05 electronvoltios, informaron Di Valentino y colegas el 25 de julio en arXiv.org. El espacio reducido se elimina prácticamente, dejando las masas de neutrinos en un purgatorio que es difícil de explicar sin proponer nuevas ideas sobre el cosmos.

“Si tomamos todo tal como está, que es una gran advertencia…, entonces claramente necesitamos una nueva física”, dice la cosmóloga Sunny Vagnozzi de la Universidad de Trento en Italia, otra autora del artículo

Incluso sin la adición de los datos de supernovas, el resultado de DESI, si se toma en serio, respondería una pregunta importante: ¿Cuál neutrino es el más pesado? Las tres masas de neutrinos están etiquetadas de manera bastante poco creativa con los números 1, 2 y 3. En un escenario posible llamado el ordenamiento normal, la masa 3 es más pesada que las masas 1 y 2. En lo que se conoce como ordenamiento invertido, las masas 1 y 2 son más pesadas que 3. Otra forma de plantear el problema: ¿Hay dos masas de neutrinos relativamente ligeras y una algo más pesada o dos pesadas y una ligera?

Si el ordenamiento invertido es correcto, los experimentos de oscilación implican que la suma de masas de neutrinos sería superior a 0.1 electronvoltios. DESI al comprimir las masas de neutrinos por debajo de 0.07 electronvoltios no solo deja al ordenamiento normal con poco margen, sino que también parece esencialmente descartar el ordenamiento invertido.

“Por eso todos se están emocionando demasiado”, dice la cosmóloga Licia Verde de la Universidad de Barcelona, miembro de la colaboración de DESI.

Dejar de lado el ordenamiento invertido sería un gran acontecimiento, con repercusiones para un montón de teorías y experimentos. El ordenamiento es tan importante que los científicos diseñaron un experimento enorme —el Observatorio de Neutrinos Subterráneo de Jiangmen en China, planeado para ponerse en marcha este año— con el objetivo de medirlo. Pero los físicos de partículas no están cancelando sus planes, y nadie está abriendo botellas de champán para celebrar la desaparición del ordenamiento invertido.

La razón es que el techo de masa de DESI superó las expectativas. "Era demasiado bueno", dice el cosmólogo Daniel Green de la Universidad de California, San Diego. Dado la cantidad de datos recopilados por DESI, los científicos habrían esperado un límite superior que fuera más del doble, fijando la masa en menos de aproximadamente 0,18 electronvoltios, dice, dejando viva la posibilidad del orden inverso. De hecho, no se esperaba que DESI pudiera descartar el orden inverso, si el orden inverso fuera incorrecto, hasta que hubiera tomado varios años más de datos. Eso ha hecho que los físicos sospechen que hay algo más en juego. Si los científicos toman en serio la preferencia de DESI por una masa de neutrino de cero, hay algunas formas de explicarlo, a pesar de que los neutrinos en el laboratorio tienen indudablemente masa. Los neutrinos podrían decaer en otras partículas o aniquilarse entre sí, sugieren Green y colegas en un artículo aceptado en el Journal of High Energy Physics. O tal vez las masas de los neutrinos varían con el tiempo. Pero hay una posibilidad aún más salvaje que la masa cero: masa negativa. Green sospechaba que "todo este comportamiento divertido era porque los datos realmente iban en la dirección equivocada. [Los datos] estaban viendo el 'opuesto' de un neutrino". Es decir, un neutrino con masa negativa. Mientras que los neutrinos con masa positiva hacen que el universo sea menos grumoso, DESI y Planck podrían estar encontrando lo contrario, un universo que es más grumoso de lo esperado, lo que significa que tiene una variación en la densidad de la materia de un lugar a otro mayor de lo predicho. Eso podría ser conceptualizado por un neutrino bizarro con masa negativa. En el análisis de DESI, los científicos no permitieron que la masa del neutrino fuera negativa. Quizás DESI llegó a cero solo porque se le prohibió bajar más. Entonces Green y colegas ajustaron el análisis para permitir masas negativas. El análisis se centró en -0,16 electronvoltios, informaron los investigadores. Otros encontraron un apoyo similar para las masas negativas de neutrinos. Eso es "algo loco de decir", dice el cosmólogo Willem Elbers de la Universidad de Durham en Inglaterra. Las masas negativas en la física son difíciles de definir e incorporar en las teorías, causando todo tipo de conflictos en las ecuaciones. "En realidad no creemos que la masa del neutrino sea negativa", dice Elbers. En cambio, "es un síntoma de algún problema, ya sea en los datos o en las suposiciones que hacemos sobre cómo evoluciona el universo". La masa negativa podría ser un espejismo de la energía oscura, sugieren Elbers y colegas. La imagen estándar del universo asume que la energía oscura tiene una densidad constante, lo que se conoce como una constante cosmológica. Si bien los datos de DESI sugieren que la energía oscura es dinámica, es decir, que su densidad cambia con el tiempo, el número de masa de neutrino de DESI se determinó asumiendo una constante cosmológica. Permitir la energía oscura dinámica resuelve el problema de la masa del neutrino, informaron Elbers y colegas en línea el 15 de julio en arXiv.org. "De hecho, desplaza el valor más probable de algo negativo e irreal a algo que está justo en el punto", dice Elbers: 0,06 electronvoltios. Pero no toda la energía oscura dinámica es igual. Los modelos más simples de energía oscura dinámica, como el utilizado por DESI y por Elbers y colegas, permiten que la energía oscura se vuelva "fantasma", una situación inesperada en teoría. En las teorías favoritas de los científicos, la densidad de energía oscura permanece constante o se diluye a medida que el espacio se expande. Con la energía oscura fantasma, la densidad aumenta en cambio. Ese tipo de energía oscura se considera menos plausible, es difícil de explicar dentro de las teorías físicas estándar. El uso de un modelo en el que la variación de la energía oscura está prohibida de volverse fantasma en realidad empeoró la discrepancia de masa de neutrinos, informaron Vagnozzi, Di Valentino y colegas en su artículo. Eso deja a los científicos sin una explicación cosmológica ganadora de por qué las masas de los neutrinos son más pequeñas de lo esperado. En lugar de repensar el universo, algunos científicos están echando un segundo vistazo a los datos. Algunas cuestiones sutiles en los datos del fondo cósmico de microondas podrían estar sesgando las cosas, sospechan algunos investigadores. En particular, se sabe que los datos de Planck muestran un exceso inesperado de lente gravitacional, esa curvatura de la luz de fondo de microondas cósmica que ayuda a los científicos a deducir las masas de los neutrinos. Más lente gravitacional es también lo que se esperaría de neutrinos con masas negativas. De hecho, intentos anteriores de estimar las masas de neutrinos utilizando datos de Planck combinados con un predecesor de DESI también arrojaron estimaciones inesperadamente pequeñas. Quizás Planck es el problema. Una versión actualizada de los datos de Planck, utilizando diferentes métodos para mapear el fondo cósmico de microondas, reduce esta lente gravitacional excesiva.Un análisis basado en esos datos actualizados de Planck, y eliminando dos puntos de datos atípicos de DESI, eliminó la evidencia de masas de neutrinos negativas, informaron Escudero y sus colegas en línea el 18 de julio en arXiv.org. Dado eso, Escudero dice: "Parece prematuro concluir que hay una tensión entre el valor mínimo de las masas de neutrinos que conocemos del laboratorio y la falta de detección de masas de neutrinos en la cosmología". Pero, señala, el análisis todavía no encontró evidencia de una masa positiva para los neutrinos. Las medidas cosmológicas de la masa del neutrino se basan en una variedad de observaciones, y dependen de la corrección de la teoría de los científicos sobre el cosmos. Si hay un eslabón perdido en cualquier parte, eso hace que las estimaciones de la masa del neutrino sean poco fiables. Por lo tanto, en el futuro, los científicos esperan medir la masa del neutrino directamente, en la Tierra. El experimento KATRIN en Karlsruhe, Alemania, busca la influencia de las masas de neutrinos en la desintegración radioactiva del tritio, una forma pesada de hidrógeno (SN: 21/04/21). Cuando el núcleo del tritio se desintegra, emite un antineutrino (el hermano de antimateria de un neutrino) y un electrón. KATRIN tiene como objetivo detectar el efecto de las masas de antineutrinos en las energías de los electrones liberados en la desintegración. Pero aunque experimentos como este podrían teóricamente medir la masa del neutrino, sus resultados no son tan precisos como los de la cosmología. La suma de las masas de los neutrinos debe ser menor a 1,35 electronvoltios al 90 por ciento de nivel de confianza, informaron los investigadores de KATRIN en línea en junio en arXiv.org. Ese es un límite mucho más débil que el que impone la cosmología sobre la masa. Entonces, aunque los experimentos directos se consideran más fiables, en realidad no están diciéndoles a los científicos mucho que ya no supieran. Los futuros experimentos directos pueden centrarse más en la masa de neutrinos, pero si las masas de neutrinos son tan pequeñas como los cosmólogos piensan que son, se necesitarán avances tecnológicos serios. Sin embargo, la posibilidad de comprender mejor algunas de las partículas más misteriosas del cosmos es tentadora. "Me parece particularmente interesante que mirar al cielo pueda decirte algo sobre una partícula que es tan ligera y pequeña y subatómica", dice Verde. Y si los científicos pueden encontrar acuerdo entre los neutrinos en la Tierra y en el espacio, tendrán una confianza adicional en que su teoría del universo es correcta, dice Verde. "Si puedes construir una imagen donde todo encaje, combinando ambos experimentos que miran directamente lo infinitamente pequeño y los experimentos que miran lo muy grande, también ofrece apoyo a la imagen misma". ¿Preguntas o comentarios sobre este artículo? Envíenos un correo electrónico a [email protected] | Preguntas frecuentes sobre reimpresiones N. Craig et al. No νs is good news. Journal of High Energy Physics. En prensa, 2024. J.-Q. Jiang et al. Neutrino cosmology después de DESI: límites superiores de masa más estrictos, preferencia por la ordenación normal, y tensión con observaciones terrestres. arXiv:2407.18047. Enviado el 25 de julio de 2024. D. Naredo-Tuero et al. Viviendo al límite: una mirada crítica al límite de masa del neutrino cosmológico. arXiv:2407.13831. Enviado el 18 de julio de 2024. W. Elbers et al. Masas de neutrinos negativas como un espejismo de la energía oscura. arXiv:2407.10965. Enviado el 15 de julio de 2024. DESI Collaboration. DESI 2024 VI: Restricciones cosmológicas de las mediciones de las oscilaciones acústicas de bariones. arXiv:2404.03002. Enviado el 3 de abril de 2024. La escritora de física Emily Conover tiene un doctorado en física de la Universidad de Chicago. Es ganadora dos veces del premio de noticias breves de la Asociación de Escritores de Ciencia de Washington D.C. Estamos en un momento crítico y apoyar el periodismo climático es más importante que nunca. Science News y nuestra organización matriz, la Sociedad de Ciencia, necesitan su ayuda para fortalecer la alfabetización ambiental y asegurar que nuestra respuesta al cambio climático esté informada por la ciencia. Por favor, suscríbase a Science News y añada $16 para ampliar la alfabetización científica y el entendimiento.