Un neutrino estéril como candidato a materia oscura

La mayor parte de la materia del universo no puede ser vista por ningún tipo de telescopio ya que no emite ni absorbe ningún tipo de radiación. Sabemos de su existencia por los efectos que su gravedad provoca, por ejemplo, en la rotación y estructura de las galaxias pero no conocemos su composición, entre otras cosas, precisamente porque no intereactúa con la radiación. Sin embargo los científicos han aventurado distintas hipótesis sobre ella incluyendo formas de confirmar estas ideas. La última, propuesta por Kevork Abazajian de la University de California en Irvine, es que podría tratarse de un tipo de neutrino estéril pesado. Los cálculos de Abazajian, que parecen dar cuenta de observaciones que hasta ahora no habían encontrado explicación, se publican en Physical Review Letters.

Los neutrinos son unas partículas subatómicas que, como su nombre indica, son neutras y tienen una masa inconcebiblemente pequeña, pero no cero. Al no tener carga no interaccionan con los campos electromagnéticos, pero sí con la fuerza nuclear débil, que es de cortísimo alcance, y con la gravedad, que tiene unos efectos muy pequeños a escala subatómica. Por estos dos motivos los neutrinos son capaces de atravesar la materia sin ser perturbados ni perturbarla (casi nunca): en estos momentos, apreciado lector, tu cuerpo está siendo atravesado por millones de ellos.

Los neutrinos habituales pueden tener tres “sabores” (electrónico, muónico y tauónico) definidos en el momento de ser creados o detectados, pero durante su propagación por el espacio pueden oscilar entre los tres sabores. Esta oscilación entre sabores puede dar lugar, según algunas teorías, a un neutrino estéril, que no interactúa siquiera con la fuerza nuclear débil.

Lo que Abazajian propone es un neutrino con una masa de 7 electrón-voltios que podría ser un candidato a materia oscura

Y un neutrino de este tipo podría ser la fuente de una línea de emisión de rayos X detectada en los cúmulos de galaxias. Sin embargo, modelos anteriores usando neutrinos estériles como una forma de materia oscura no terminaban de ajustarse a las observaciones cosmológicas. Lo que Abazajian propone es un neutrino con una masa de 7 electrón-voltios (del orden de 1,25·10^-35 kg; una barbaridad para un neutrino) que podría ser un candidato a materia oscura ya que explicaría tanto los nuevos datos de rayos X como algunos de los problemas en la formación de la estructura de las galaxias que llevan ya tiempo sin resolverse.

El que los neutrinos sean candidatos a materia oscura es algo que llevan diciendo los cosmólogos desde hace mucho tiempo. Sin embargo, debido a la pequeñísima masa que se les supone (mucho menos de 1 electrón-voltio), los neutrinos convencionales son demasiado rápidos, o “calientes”, como para formar las estructuras de materia oscura densas que se necesitan para mantener a las galaxias y los cúmulos de galaxias tal y como los observamos. Por contra, los neutrinos estériles podrían tener masas mayores y haber sido producidos en el Big Bang, como decíamos antes, por oscilación de sabores.

Los neutrinos son candidatos a materia oscura desde hace mucho tiempo

  El problema venía siendo que se suponía que los neutrinos estériles deberían desintegrarse, produciendo una señal de rayos X que nadie había detectado...hasta, posiblemente, ahora. A comienzos de 2014, el análisis de los datos procedentes de un cúmulo de galaxias puso de manifiesto la existencia de una línea de emisión de rayos X, que es consistente con la desintegración de un neutrino estéril de 7 electrón-voltios. Normalmente una materia oscura con esta masa debería ser demasiado “cálida” como para poder ajustarse a los datos galácticos disponibles. Sin embargo, lo que hace Abazajian es demostrar que los neutrinos estériles podrían tener una distribución de energía más “fresca” si se hubiesen producido por un efecto llamado MSW (de Mikheyev–Smirnov–Wolfenstein).

Cuando Abazajian introdujo los datos para un neutrino como este en un modelo cosmológico, se encontró con que podía explicar tanto el pequeño número de galaxias satélite de la Vía Láctea como sus densidades centrales, algo que con los modelos actuales de materia oscura “fría” no es posible. La hipótesis y los cálculos habrán de ser comprobados y contrastados pero, de entrada, parece una idea muy interesante para poder entender un poco mejor el universo en un futuro próximo.

Referencias: Abazajian, K (2014) Resonantly Produced 7 keV Sterile Neutrino Dark Matter Models and the Properties of Milky Way Satellites Phys. Rev. Lett. 112, 161303 DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.161303  | Schirber, M. (2014) Sterile Neutrino as Dark Matter Candidate Physics 24/04/2014

* Este artículo es parte de ‘Proxima’, una colaboración semanal de la Cátedra de Cultura Científica de la UPV con Next. Para saber más, no dejes de visitar el Cuaderno de Cultura Científica.