El neutrino es una partícula emitida en la desintegración beta donde un protón reacciona con un antineutrino convirtiéndose en un neutrón y un positrón (reaction#1) ó un protón interacciona con un electrón para producir un neutrón y un neutrino.
En el Modelo Estándar de la física de partículas, el neutrino es una partícula que no tiene masa. Sin embargo se pueden hacer modificaciones en la teoría que permita la existencia de neutrinos masivos de forma que tienen que ser las observaciones o los experimentos los que decidan cuál es el caso. Al ser el neutrino una partícula sin masa o tremendamente ligera se mueve a la velocidad de la luz o a velocidades muy cercanas, lo que los convierte en lo que se denominan partículas relativistas. Actualmente se denomina a cualquier tipo de partículas relativistas en cosmología materia oscura caliente (del inglés Hot Dark Matter ó abreviado HDM)
La nucleosíntesis
primigénea establece que el número de tipos de
neutrinos sólo puede ser tres (hecho que confirman los
experimentos del CERN
Ver Hansen
et al. 2001 y kneller
et al. 2001) y que su número actual tiene que ser del
orden de unos 115 neutrinos de cada especie por centímetro
cúbico. Teniendo en cuenta que la densidad
crítica es del orden de 2 ó 3 átomos de
hidrógeno por metro cúbico, si los neutrinos tienen que
contribuir con algo así como del orden de la densidad
detectada (1/3 de la densidad crítica aprox.) tendríamos
que unos 100 millones de neutrinos tendrían que pesar algo así
como un átomo de hidrógeno. Un átomo de
hidrógeno pesa (en unidades de energía) unos 1000 MeV.
Por tanto la masa del neutrino tendría que ser del orden de
unos 10 eV para que
pudiera constituir el resto de la masa oscura.
Pero si los neutrinos constituyen la masa dominante de
estructuras como galaxias podemos hacer una nueva estimación
de la masa del neutrino de la siguiente manera: Las galaxias tienen
unas masas dinámicas que podemos deducir aproximadamente del
simple hecho de que las estrellas estén unidas
gravitacionalmente al cuerpo de la galaxia. Se debe cumplir entonces
que la energía de ligadura gravitacional (G m M/r) sea
como muy poco del orden de la energía cinética de las
estrellas (1/2 m v2), con objeto de que éstas
no escapen de sus órbitas. Por ejemplo, para nuestra galaxia,
con el Sol situado a unos 10 kpc
gira con una velocidad de unos 220 km/s implica una masa mínima
de algo más de 5 ×109 masas solares. Los
neutrinos son fermiones
(partículas de spin
semientero) y el principio
de exclusión de Pauli establece un máximo de
densidad de neutrinos del orden de un millón por centímetro
cúbico. Esto establece una masa mínima para el neutrino
de unos 30 eV, lo que es incompatible con el cálculo anterior
que establecía un límite superior de unos 10 eV.
Las medidas del experimento
Super-Kamiokande de 1999
indican que la masa del neutrino es probablemente mucho menor que
esta cantidad. La medidas del CERN
ponen un límite superior a la masa del neutrino más
pesado de unos 9 eV. Medidas
más recientes estiman la suma de los tres tipos de
neutrinos en algún lugar entre 0.05 y 8.4 eV
.
Las observaciones de la
supernova
1987A también son compatibles con la existencia de tres
tipos de neutrinos y con un límite superior de la masa del
neutrino electrónico de unos 25 eV. Un análisis
bayesiano de esos datos (Loredo
& Lamb 2001) ponen un límite superior a la masa del
antineutrino electrónico en unos 5.7 eV.
Medidas directas a través de experimentos de
desintegración beta ponen un límite superior más
restrictivo de 2.2 eV (Weinheimer
2002)
Pero hay un problema más
grave que todo esto. Cuando ponemos tanta masa de neutrinos en el
universo, las grandes estructuras galácticas
como los supercúmulos tienden a
formarse primero que las pequeñas estructuras como los cúmulos
de galaxias (que se suele denominar formación de arriba a
abajo), lo que contradice las observaciones que indican una formación
relativamente reciente de las grandes estructuras (más
compatible con una formación de estructuras jerarquizada de
abajo a arriba). Además las concentraciones de materia en los
grandes supercúmulos sería considerablemente mayor de
lo observado (Ver la formación de la
galaxias)
Comparación
entre la distribución de galaxias observada (c), y una
simulación numérica de las estructuras galácticas
resultantes en un modelo de universo con neutrinos (b) y un modelo de
universo con partículas más masivas y lentas (a)
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