Steven Weinberg nos explica por qué Planck observa 3,39 especies de “neutrinos”

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El número de especies de neutrinos (partículas ultrarrelativistas) según las medidas cosmológicas y del fondo cósmico de microondas es un número fraccionario entre 3 y 4. Parece obvio que o bien hay 3 tipos de neutrinos, o bien hay 4, pero no puede haber 3,39 tipos. El Premio Nobel de Física Steven Weinberg propone en Physical Review Letters que la existencia de bosones de Goldstone sin masa podría contribuir con un factor 0,39. Una bonita idea para hoy, el día que el bosón de Higgs cumple un año de edad. El campo de Higgs presenta dos tipos de partículas, los bosones de Higgs y los bosones de Goldstone, pero estos últimos no son partículas como tales, no son observables, pues se acoplan a las partículas W y Z. Para que existieran bosones de Goldstone observables como partículas tendría que existir, al menos, una simetría U(1) adicional en el modelo estándar. Weinberg nos propone esta idea tan especulativa y realiza los cálculos en su nuevo artículo. Por supuesto, no es el único en proponer este tipo de idea, pues muchos otros físicos han realizado propuestas similares (la existencia de partículas ultrarrelativistas con masa nula o casi nula que interaccionan tan débilmente con el resto del modelo estándar que su contribución cosmológica sería fraccionaria). Pero por supuesto, la idea ha aparecido en varios medios al ser ofrecida por un famoso Premio Nobel. Además, qué mejor manera de celebrar el descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC hace un año que con un artículo de Steven Weinberg, el primero en incorporar el campo de Higgs en el modelo estándar. El artículo técnico es Steven Weinberg, “Goldstone Bosons as Fractional Cosmic Neutrinos,” Phys. Rev. Lett. 110: 241301, 10 Jun 2013 [arXiv:1305.1971]. Recomiendo leer a Lisa Grossman, “Is missing ‘partial’ neutrino a boson in disguise?,” New Scientist, 27 Jun 2013.

No quiero entrar en detalles técnicos, pero el artículo puede ser entendido por cualquier físico que haya estudiado la matemática del mecanismo de Higgs en el modelo estándar. Si es tu caso, te animo a leer el artículo como homenaje de 4 de julio. Si no es tu caso, lo único que tienes que saber es que se trata de una idea muy especulativa y que no tiene ningún viso de que sea correcta. Futuros artículos que discutan los detalles de esta idea encontrarán problemas de compatibilidad entre lo que sabemos sobre el inicio del universo y la nueva idea, con lo que pronto será olvidada. Pero no importa, la idea es bonita y hoy es día de homenajes.

El número effectivo Neff de especies ultrarrelativistas observado en medidas cosmológicas (que normalmente se denomina “número de neutrinos” pues estos son las únicas partículas de este tipo que han sido descubiertas hasta el momento) se obtiene ajustando el modelo ΛCDM al espectro de la radiación de fondo cósmico de microondas (CMB). Dicho ajuste es normal que conduzca a un valor no entero con cierta incertidumbre que se suele interpretar haciendo referencia al valor entero más cercano. Combinando los datos del CMB de la misión Planck de la ESA (publicados en marzo de 2013), la polarización del CMB de WMAP9 (publicado en diciembre de 2012, ya que la de Planck se publicará en 2014) y los datos de modos altos del CMB (highL), obtenidos por ACT y SPT, se obtiene un valor de Neff = 3,36 ± 0,34 (68% CL). Este valor crece si además se combina el resultado con los datos de BAO (SDSS y BOSS) y de la constante de Hubble (telescopio espacial Hubble).

Weinberg nos recuerda que una partícula ultrarrelativista (de masa nula o de masa muy pequeña comparada con la masa de los neutrinos) que interaccione de forma muy débil con el resto del modelo estándar (para que aún no la hayamos observado en los colisionadores) podría actuar como un “neutrino impostor” que contribuya de forma fraccionaria al valor de Neff. Los bosones de Goldstone son partículas de espín cero y masa nula (las correcciones cuánticas podrían darles una masa pero sería muy pequeña). La contribución relativa de bosones de espín cero respecto a la contribución de los neutrinos debe ser de 7/8 porque siguen la estadística de Bose en lugar de la de Fermi, por tanto, a priori, añaden una contribución al número Neff con un valor de (1/2)/(7/8) = 4/7 = 0,57 (con lo que Neff sería 3,57, un valor razonable, aunque un poco mayor del valor 3,36). Pero esto requiere que los bosones de Goldstone alcancen un equilibrio térmico en los primeros instantes del big bang con una temperatura similar a a la de los neutrinos. Si los bosones de Goldstone alcanzan el equilibrio térmico antes que los neutrinos, alcanzando una temperatura mayor, entonces su contribución a Neff será un número más pequeño que 4/7. El cálculo realizado por Weinberg da como resultado (4/7)(43/57)4/3 = 0,39, lo que le ha hecho “chirivitas” a sus ojos ya ancianos pues un valor de Neff = 3,39 casi coincide con el observado en los experimentos. Por supuesto, yo creo que se trata de una simple casualidad, pues este valor experimental de 3,36 depende muchísimo de los datos utilizados en el ajuste.

Sin enrollarme más, sirva esta entrada como homenaje al bosón de Higgs. La idea de Weinberg es muy bonita, pero tiene pocos visos de ser correcta. Aún así, su artículo ya ha sido citado seis veces y será citado muchas más (en ninguno de dichos artículos se estudian los detalles y en todos los casos se trata de citas de carácter transversal).

Lo dicho, si eres físico y has estudiado teoría cuántica de campos, no puedes dejar de leer el nuevo artículo de Weinberg y disfrutar con su nueva idea (aunque sólo sea como homenaje a su contribución a la física del bosón de Higgs).

Por cierto, ya lo sabéis, pero por si acaso: mi partícula favorita es el bosón de Higgs. Por ello, esta entrada participa en la XLIII Edición del Carnaval de Física, alojado en el blog El Mundo de la Ideas. Araceli Giménez ya me ha dicho cuál es su “partícula favorita,” supongo que pronto os lo contará a todos, ¿quieres contarnos cuál es la tuya? Puedes contribuir al carnaval hasta el 25 de julio.

PS (06 Jul 2013): Yo no lo sabía, pero gracias a Twitter me he enterado de que la tesis doctoral de Teguayco Pinto Cejas (@teguaycoresponsable de medios sociales @RSEF_ESP), “Detailed study of the decoupling process of cosmological relic neutrinos,” Universitat de Valencia, June 2008, presenta una estimación de Neff teniendo en cuenta el fenómeno de oscilación de los neutrinos en los primeros instantes del big bang. Este fenómeno implica un valor no entero para Neff entre 3 y 4. Más aún, para mi sorpresa, presenta en la página 82 de su tesis una estimación de Neff = 3,36 (que coincide con el valor de la misión Planck) cuando “la asignación de masas no nulas para los neutrinos puede asociarse a interacciones no estándar (NSI) que violen el sabor y/o rompan la universalidad.” Una asombrosa coincidencia. Obviamente, pura casualidad pues no hay evidencia experimental de la existencia de NSI.

La teoría del big bang predice la existencia de un fondo cósmico de neutrinos (CNB). Los neutrinos tienen masa y se desacoplan de las otras partículas del plasma primigenio (de los fotones, electrones y positrones, que son sus principales componentes a temperaturas por debajo de la masa del muón). Al incluir las oscilaciones de sabor de los neutrinos en los cálculos termodinámicos del desacoplamiento del CNB se obtiene un valor de Neff = 3,046. Pero también se puede incluir el efecto de interacciones no estándar (NSI), de tal forma que los neutrinos que mantienen un mayor contacto con el plasma comparten una fracción algo mayor de entropía proveniente de la aniquilación de pares electrón-positrón. En dicho caso el valor de Neff puede crecer hasta en un 20%. Por supuesto, que nadie se equivoque, las NSI no han sido observadas y, en palabras del propio Teguayco “no parece que vayan a ser fácilmente detectables a corto plazo.”

2 pensamientos en “Steven Weinberg nos explica por qué Planck observa 3,39 especies de “neutrinos”

  1. Me he leído el artículo original de Weinberg, y a mi no me parece tan mala idea. En la página 5 dice:
    “The constancy of the entropy per co-moving volume s a^3 tells us that for particles like neutrinos that are in thermal equilibrium, Ta must increase by a factor (57/43)^(1/3), while for free Goldstone bosons Ta is constant, so that Goldstone bosons make a contribution to the measured Neff equal to (4/7)(43/57)^(4/3) = 0.39, which at least for the present seems in good agreement with observation.”
    Este argumento parece sólido.
    Luego ya lo otro sobre la materia oscura, pues, no sé … tendría que analizarlo con más detalle.
    Si Francis comenta las réplicas técnicas a este artículo, yo las seguiré encantado.

    • Antonio, no tengo réplicas técnicas contra este artículo, pues no soy experto en estas lides. Sin embargo, si quieres mi opinión: (1) Se trata de resolver un problema que no existe (pues el valor de Neff no se conoce ni a 1 sigma, pues depende de qué datos se tengan en cuenta). (2) La constante de acoplo de la nueva simetría U(1), que recuerda al modelo PQ para axiones, es muy poco natural (menor de 5 partes por mil). (3) La nueva teoría tiene muchos de los problemas que tiene la teoría de axiones y requiere muchas de las correcciones ya propuestas para resolver dichos problemas, que Weinberg omite mencionar en su artículo. (3) La masa para los nuevos bosones vectoriales, unos 500 GeV, es muy baja, ya que los límites del LHC apuntan a más de 1200 GeV, así que la constante de acoplo es aún menos natural de lo que sugiere Weinberg. (4) Los nuevos bosones podrían desintegrarse en fotones, fenómeno no observado, y afectarían mucho a las predicciones del valor Neff, con lo que encontramos un círculo vicioso. Y no hablemos de la conexión con WIMP que sugiere Weinberg. En resumen, hay muchas más réplicas, no quiero aburrir, pero seguro que todas serán estudiadas en detalle en los próximos meses (gracias a la fama de Weinberg).

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