El modelo estándar mínimo con neutrinos masivos (nuMSM)

Dibujo20130722 SM vs nuMSM - neutrino minimal standard model

Sabemos que los neutrinos tienen masa. Los neutrinos pueden ser partículas de Dirac, de Majorana o una mezcla de ambos tipos. La manera más sencilla de extender el modelo estándar (SM) para tener en cuenta esta última posibilidad se denomina modelo estándar mínimo con neutrinos (nuMSM). Esta teoría implica la existencia de neutrinos estériles, que si fueran ligeros (de unos 10 KeV de masa) podrían ser candidatos a materia oscura y resolver la mayoría de los problemas actuales de la física de partículas. El modelo nuMSMS es estable incluso con un Higgs a 125 GeV y podría ser válido hasta la escala de energías de Planck; además, implica que el LHC no encontrará nueva física, ni se observarán desviaciones respecto al modelo cosmológico ΛCDM. En relación a la gravedad, se trata de una teoría asintóticamente segura (“asymptotically safe”). Nos lo han contado Oleg Ruchayskiy, “Cosmology and Particle Physics after Higgs,” EPS HEP 2013, July 19, 2013 [slides], y Oliviero Cremonesi, “Neutrino masses,” EPS HEP 2013, July 23, 2013 [slides]. Más información técnica detallada en K. N. Abazajian et al., “Light Sterile Neutrinos: A White Paper,” arXiv:1204.5379, 18 Apr 2012.

Dibujo20130722 Resolving neutrino mass term - Neutrino oscillations mean that there exist new particles

Se denomina modelo estándar mínimo con neutrinos (nuMSM) a la extensión mínima del modelo estándar en la que los neutrinos son partículas con masa dada por una matriz de 2×2 que contiene tres masas mL, mR y mD para las masas de las componentes quirales izquierdas (los neutrinos de baja masa que ya hemos observado), las componentes quirales derechas (los neutrinos estériles de alta masa aún no observados) y una masa de Majorana (que permite explicar ciertas anomalías de poca significación en los experimentos con neutrinos).

Recuerda que en el modelo estándar los neutrinos (que tienen quiralidad izquierda) están acoplados en un doblete a las componentes de quiralidad izquierda de los electrones. Si los neutrinos son partículas de Dirac, como los electrones, la oscilación de los neutrinos implica la existencia de nuevas partículas, neutrinos de quiralidad derecha en estados singletes, como las componentes de quiralidad derecha de los electrones. Estos neutrinos de quiralidad derecha serían neutrinos estériles, no tendrían ninguna de las cargas del modelo estándar, pero recibirían su masa del mecanismo de Higgs como el resto de las partículas. Pero los neutrinos como fermiones neutros que son también pueden tener un término adicional de masa de tipo Majorana (de hecho, muchos físicos prefieren que los neutrinos sean partículas de Majorana), que no dependería del mecanismo de Higgs (sería necesaria nueva física más allá del modelo estándar para explicar su origen pero esta física se puede llevar en el modelo nuMSM hasta la escala de Planck, donde parece obvio que dicha nueva física tiene que existir sí o sí).

Dibujo20130722 Sterile neutrinos behave as superweakly interacting heavy neutrinos with a smaller Fermi constant

Los neutrinos estériles en el modelo nuMSM se comportan como neutrinos pesados con interacción superdébil (hasta diez órdenes de magnitud más débil que la interacción débil). Los neutrinos estériles han sido buscados sin éxito con masas entre pocos eV (electrón-voltios) y unos cientos de GeV (giga-electrón-voltios), pero si su interacción es superdébil serán indetectables en el LHC y otros colisionadores de partículas.

Las condiciones de Sakharov para explicar la asimetría materia-antimateria (la bariogénesis) no se pueden cumplir con el modelo estándar, que además de no contener suficiente violación de la simetría CP, tampoco permite procesos fuera del equilibrio térmico a energías de unos 100 GeV cuando el bosón de Higgs tiene una masa mayor de 72 GeV. Los neutrinos estériles con una interacción superdébil se encuentran fuera del equilibrio térmico incluso ahora, cumpliendo la condicio´n de Sakharov que los neutrinos “activos” no cumplen al termalizar en los primeros instantes de la gran explosión (big bang); además, se pueden incluir términos adicionales de violación de la simetría CP e incluso se podría incorporar una leptogénesis adicional a la bariogénesis.

Dibujo20130722 DM density from massive active neutrinos

La materia oscura no puede ser “caliente” (formada por partículas poco masivas como los neutrinos “activos”). La cota inferior de Tremaine–Gunn (1979) para la masa de los neutrinos estériles como responsables de la materia oscura es de 300 a 400 eV, pero con dicha masa sólo dan cuenta del 3% de toda la materia oscura del universo (utilizando la fórmula que se muestra). Sin embargo, si los neutrinos estériles no son débiles, sino superdébiles como en el modelo nuMSM, dicha fórmula no se aplica, pues nunca alcanzan el equilibrio térmico, y basta tomar una masa de unos 500 eV para explicar toda la materia oscura observada en las medidas cosmológicas.

Dibujo20130722 experimental restrictions to mean lifetime to dark matter

Los neutrinos estériles pueden decaer vía su oscilación con los neutrinos “activos” pero la vida media de estas desintegraciones se puede ajustar para que sea mayor que los límites actuales sobre la vida medida de la materia oscura. La clave es su interacción superdébil.

Dibujo20130722 Sterile neutrino dark matter status

Los límites actuales para la masa del neutrino estéril más ligero en el modelo nuMSM, compatible con todas las búsquedas de materia oscura encajonan su valor en la escala de los keV (kilo-electrón-voltio). Comos nos recuerdan Alexey Boyarsky, Dmytro Iakubovskyi, Oleg Ruchayskiy, “Next decade of sterile neutrino studies,” Physics of the Dark Universe 1: 136-154 (2012) [arXiv:1306.4954], durante la presente década hay experimentos en curso y experimentos planificados que explorarán todo el rango posible de masas entre 1 keV y 50 keV compatible con los neutrinos estériles del modelo nuMSM. En menos de diez años sabremos si este modelo es el camino hacia el futuro del modelo estándar u otra piedra más que debemos descartar.

Por cierto, ¿qué es un neutrino estéril? Un leptón neutro sin hipercarga débil (o isospín débil), es decir, que no afectado por la interacción débil. Los neutrinos estériles pueden oscilar en neutrinos “activos” (que tienen hipercarga débil), de ahí que se les llame “neutrinos.” Gracias a esta vía indirecta pueden interaccionar con el resto del modelo estándar. Las desintegraciones del bosón Z observadas en el LEP del CERN indican que sólo hay tres neutrinos “activos” con una masa menor que la mitad de la masa del bosón Z. Sin embargo, este límite no se aplica a los neutrinos estériles, que no están acoplados de forma directa al bosón Z.

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6 pensamientos en “El modelo estándar mínimo con neutrinos masivos (nuMSM)

  1. Qué es una interacción superdébil? Por qué es necesario una interacción superdébil en este modelo? No pueden los Neutrinos estériles no interactuar con nada (salvo con su hermano izquierdo a través de la masa?
    Excelente artículo Francis!

  2. Francis, una lectura sesgada de tu artículo me hace pensar que los términos neutrinos fríos y calientes y materia oscura fría y caliente plantea un cosmos paradójico. Es decir, mientras más fría es la materia oscura y más frio/superdébil es el neutrino, más gélido parece el big bang. Si los neutrinos estériles no son débiles, sino superdébiles como en el modelo nuMSM, y nunca alcanzan el equilibrio térmico (tienden a ser fríos), una parte considerable de la materia universal evoluciona en un entorno frío. En este supuesto la flecha entrópica del tiempo transita del frío al calor, al menos para los bariones. Es la única manera de que el universo no se diluya en el equilibrio y mantenga su dinamismo.

  3. Francis, sería bueno que destacaras que el modelo del que hablas se debe a Shaposhnikov en primer lugar, quien llegó a él postulando además la libertad asintótica libre de la gravedad hasta GUT o Planck scale, con lo que no habría nueva física hasta dichas enormes escalas de energía. Nótese que nuSM+gravedad asintóticamente libre le permitió “predecir” una masa del bosón de Higgs muy cercana a la observada por el LHC, lo que puede ser (o no) más pesadilla para unos que para otros. Creo que ya hablé de las ideas de Shaposhnikov aquí antes en algunos comentarios, así que pienso que sería bueno que al menos citaras en la entrada de quién es la idea de este modelo mínimo. Un saludo.

      • Sips, I know. Pero siempre me olvido de los “otros” cuando hay algún ruso de por medio. Debería haber dicho Shaposhnikov et al. Ha sido día atareado. Me voy unos días a Bilbao y San Sebastián, necesito pensar mis siguientes movimientos. Y más, porque no tengo demasiado margen de error a estas alturas de mi vida (35 años no es lo mismo que 25, supongo que lo entiendes). Ojalá pueda aclarar mis ideas y el camino que debo seguir. No puedo estar otro año en esta situación. Supongo que aprovecharé para ir preparando mi dominio (blog + webpage) http://thespectrumofriemannium.com (aunque mantendré el wordpress como mirror al menos mientras tenga espacio libre, luego, ya veré…).
        Gracias por la cita…Es lo que tiene no tener aún toda mi bibliografía agrupada :(…
        Finalmente, me gustaría remarcar que el potencial real de las oscilaciones de neutrinos, en especial en ausencia de otra nueva física, llega incluso al campo de la gravedad cuántica. Nicolini et.al. han estudiado como afecta la existencia de una longitud mínima (que induce casi toda teoría de gravitación cuántica) en el patrón de oscilaciones de los neutrinos. No son unos trabajos muy conocidos todavía, pero son realmente interesantes.

  4. amarashiki, si sabes de alguno con 30, 40, 50, 60 y 70 años que tenga la ideas claras, le hago un monumento. Eso sí, muchos nos dedicamos a lamernos las heridas con entusiasmo, yo el primero, pero rumiar las desgracias y los sinsabores ocupa espacio mental y emocional y acaba por agobiarnos. Ya sé que hay circunstancias injustas que nos golpean y deprimen, pero después de maldecir a la existencia entera como desahogo inevitable hemos de reanudar la marcha. Dar y entregarse a los demás es una muestra de generosidad, pero me pregunto si los destinatarios de nuestra generosidad son cuerpos con alma o sin ella. Hay mucha hipocresía y rincones ocultos en el mundo, en los cuerpos con alma y sin ella, pero en mi opinión no merece la pena perder un minuto de tiempo en escudriñar las vidas de los que nos rodean ni culparlos por nuestras frustraciones. Como dijo el poeta, es preferible viajar ligeros de equipaje y tener por compañeros de ruta a aquellos que nos alegran el ánimo. Hablé con una sobrina, no tiene más de 15 años, y me dijo que le gustaría estudiar cosmología, pero añadió que no le veía futuro laboral. Entonces una de dos: o la juventud tiene un sentido crítico de la sociedad con tendencia al pesimismo o el pesimismo está inserto en el genoma humano y la felicidad y el optimismo se ven como hechos efímeros y anómalos. Es más fructífero no tener las ideas claras que cerrar el paso a un atisbo de satisfacción y contento. Estaré pendiente de mi sobrina para que no se diluya en el desaliento.

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