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Detectan presencia de neutrinos en la distribución de la materia

Mariana Vargas y Aleida Rueda
11/mar/2019

Un equipo internacional en el que participa la investigadora del Instituto de Física, Mariana Vargas, confirmó, por primera vez, a partir de la detección indirecta, la presencia del fondo cósmico de neutrinos con 99% de confiabilidad en el espectro de densidad de la materia.

Estos resultados fueron reportados en un artículo titulado: “First constraint on the neutrino-induced phase shift in the spectrum of baryon acoustic oscillations”, publicado en la revista Nature Physics hace unos días.

El equipo lo hizo posible gracias a los datos de Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), un experimento construido con el objetivo de mapear la distribución espacial de galaxias rojas luminosas y quasares para detectar la escala generada por las llamadas Oscilaciones Acústicas Bariónicas (BAO), responsables de la formación de nuestro Universo, y en el que Vargas ha participado desde el inicio de sus observaciones en 2009.

Para entender la relevancia de su trabajo, hay que trasladarnos al Universo temprano. Aproximadamente un segundo después de que ocurriera el Big Bang, se creó lo que se conoce como el fondo de neutrinos cósmicos (CVB).

“En estos primeros instantes del Universo la densidad de energía del Universo estaba dominada por los neutrinos”, sin embargo, dice Vargas, “la detección directa de este fondo cósmico de neutrinos es extremadamente complicada debido a las energías bajas combinadas con la débil interacción que tienen los neutrinos con la materia”.

A pesar de la complejidad para detectarlo, lo investigadores tienen de su lado las detecciones indirectas, es decir, las observaciones de otros fenómenos cosmológicos que sí son detectables como la Radiación Cósmica de Fondo (CMB) y las mediciones de abundancias de elementos ligeros. De manera que si logran detectar la presencia de neutrinos en estas observables, los investigadores pueden tener más certeza de cómo participaron en la generación de todo lo que podemos observar.

En busca de la fotografía del Universo temprano

Desde los primeros instantes del Universo empiezan a suceder cosas interesantes. En un primer momento, la materia bariónica (es decir, la materia ordinaria y que compone básicamente todo lo que vemos) estaba acoplada con la radiación de tal forma que formaba un plasma caliente. Pero debido a la presión de la radiación y el colapso gravitacional, este plasma comienza a oscilar generando fluctuaciones conocidas como oscilaciones acústicas.

Las oscilaciones acústicas son clave para quienes intentan estudiar la estructura y evolución del Universo. Estas oscilaciones pueden detectarse en el fondo cósmico de radiación, pues “este patrón de picos y valles en el espectro de temperatura puede ser utilizado como una ventana para que estudiemos el Universo en sus primeros segundos”, cuenta Vargas.

Conforme el Universo se va expandiendo, sucede un momento de recombinación que hace que lo que antes estaba unido se despegue o, en términos más correctos, la materia bariónica se desacopla de la radiación. El plasma caliente deja de existir como tal. “Los fotones dejan de tener energía suficiente para arrancar electrones a los átomos y empiezan a viajar libres en el Universo sin interaccionar con la materia y, produciendo entonces, la radiación de fondo cósmica (CMB por sus siglas en inglés)”, explica Vargas.

Pero esas primeras oscilaciones acústicas se reflejan igualmente en la distribución de materia. “En ese espacio de configuraciones, la oscilación acústica se traduce en una onda esférica que se propaga a la velocidad del sonido desde la posición de la perturbación inicial hasta el momento del desacople de fotones”, cuando los fotones dejan de interactuar con los bariones.

Esa onda esférica se propaga a la velocidad del sonido en el plasma hasta la recombinación. Sin la interacción con los fotones, los electrones y protones del Universo empiezan a combinarse formando hidrógeno, el plasma desaparece, lo que genera que la onda esférica quede congelada, y surja una sobre-densidad de materia bariónica a una escala aproximadamente de 150 Mpcs/h (100 Mpc/h), en coordenadas comóviles, alrededor de la perturbación inicial cuya escala corresponde al horizonte sonoro. A esto se le denomina comúnmente escala de BAO: oscilaciones acústicas de bariones.

Alerta: Los neutrinos producen un desfase en BAO

Se sabe con cierta certeza que los neutrinos tienen efectos en las oscilaciones acústicas. Y es así porque los neutrinos viajan a velocidades cercanas a la velocidad de la luz en el vacío y por tanto son significativamente más altas que el plasma de fotones y bariones.

“Por eso, los neutrinos pueden propagar información más allá del horizonte sonoro. La influencia gravitacional de las perturbaciones de neutrinos inducen, entonces, un desfasamiento temporal en las oscilaciones acústicas de fase constante”, explica Mariana Vargas.

Sin embargo, este desfasamiento había sido medido solamente en el espectro angular de temperaturas de la radiación de fondo cósmica. “Se esperaba que su efecto también fuera detectable en el espectro de densidad de la materia, pero nadie lo había hecho hasta ahora”, dice la investigadora.

Para lograrlo, los catálogos de galaxias del experimento BOSS fueron cruciales. “Nos basamos en los catálogos de galaxias masivas CMASS del experimento de energía obscura BOSS Data Release 12 que consiste de casi 1.2 millones de galaxias luminosas rojas en el rango de corrimiento al rojo de 0.2 a 0.75 (que equivale a distancias de alrededor de 6 mil millones de años luz)”, dice Vargas.

Como querían detectar la presencia de neutrinos, decidieron adaptar la metodología estándar utilizada para la medición de la escala acústica para detectar el desfase en la oscilación o en el pico de BAO debido a la presencia de neutrinos.

“Para extraer la señal integramos un desfase temporal a partir de un template obtenido mediante simulaciones de diferentes desfasamientos para diferentes cosmologías, y aislamos la información del defase inducido por los neutrinos”, explica la cosmóloga.



Platilla de la dependencia del desfasamiento como funcion de k obtenida mediante simulaciones con diferentes cosmologias. b. Desfasamiento de las oscilaciones acusticas de bariones.

El resultado fundamental de la investigación fue que se excluyó la posibilidad de un desfasamiento nulo con un 99% de confiabilidad, lo cual significa que confirmaron la presencia del fondo cósmico de neutrinos con 99% de confidencia.



Contornos de confianza a 1-sigma y 2-sigma de los parmaetros alpha (escala acustica) y beta (desfasamiento), b. Distribucion a posteriori del desfasamiento con y sin CMB priors.

Este resultado, además de proporcionar una nueva prueba (indirecta) del fondo de neutrinos cósmico, representa la primera aplicación de la señal de oscilaciones acústicas de bariones al estudio del Universo temprano.

Pero las pruebas no se quedarán ahí, pues el grupo calcula que con futuros sondeos de galaxias y quasares como el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), que iniciará operaciones en 2020, así como otros experimentos dedicados a la observcion del CMB, podrán mejorar las cotas a 3-sigma y hasta 5-sigma, el nivel más alto de certeza.

Para Vargas, lo más importante de este trabajo es que “demostró que existe información interesante a descifrar en la fase de las oscilaciones acústicas de bariones y que debemos preguntarnos qué más información además de las reliquias ligeras podemos extraer”, afirma.

Los investigadores esperan que este trabajo inspire nuevas ideas para explorar el Universo temprano por medio de los estudios de grandes estructuras en la era de sondeos espectroscópicos.