Investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Valencia, y la Universidad de Barcelona lideran un estudio que determina la restricción más precisa obtenida hasta la fecha de la masa de los neutrinos con datos de distribución de galaxias en el Universo. La principal conclusión es que la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos que existen no representa más del 6 por mil del total de la masa-energía del cosmos, de donde se deduce que la masa de esta partícula no debe exceder de 0,26 electronvoltios, dos millones de veces inferior a la masa del electrón. Determinar con precisión la influencia de la masa de los neutrinos en el Universo es fundamental para estudiar su evolución, ya que hasta hace poco se creía que estas partículas carecían de masa y, por tanto, no aparecía en los modelos cosmológicos. Este análisis representa un avance en la comprensión de las propiedades de estas partículas a partir de mediciones cosmológicas.

El análisis, que se encuentra disponible en el repositorio digital arXiv y se ha enviado para su publicación en Astrophysical Journal, se basa en datos obtenidos de una selección de 900.000 galaxias luminosas, que pueblan la mayor parte del espacio y que son muy utilizadas para estudiar la distribución espacial de galaxias. Esta selección procede de las galaxias analizadas hasta ahora por el experimento BOSS, que forma parte del Sloan Digital Sky Survey (SDSS)-III. SDSS se inició en 2000 y desde sus comienzos ha examinado más de un cuarto del cielo nocturno y producido el mapa en color del Universo en tres dimensiones más grande jamás realizado.

Con la información de la distribución de las galaxias, obtenida por la colaboración internacional BOSS usando un telescopio situado en el Apache Point Observatory en Nuevo México (EE.UU.), se han producido los cálculos más precisos hasta la fecha de cómo la materia se agrupó en cúmulos durante las etapas intermedias de la evolución del Universo. Además, en un análisis liderado por los investigadores del Instituto de Física Corpuscular Roland de Putter, Olga Mena y Elena Giusarma, se han utilizado estos datos para producir el estudio más preciso realizado hasta la fecha del peso de los neutrinos en relación al total del Universo.

Los neutrinos son partículas elementales muy ligeras que apenas interactúan con la materia. Un neutrino de los tres tipos que existen puede atravesar 200 Tierras y permanecer inalterado. Por eso, su detección es extremadamente difícil. Hasta que se midió lo que se conoce como “oscilación de los neutrinos”, la transformación de un tipo a otro durante su recorrido, se pensó que no tenían masa. Esta, sin embargo, sigue sin conocerse. Además, aceptar que los neutrinos tienen masa implica grandes cambios en los modelos utilizados para considerar la evolución del Universo, ya que es una de las partículas más abundantes en el cosmos.

LÍMITES MÁS PRECISOS

El análisis realizado por el grupo de investigación español ha descubierto que la masa de los neutrinos no representa más del seis por mil del contenido total de masa y energía en el Universo. Este parámetro está directamente relacionado con la suma de las masas de los tres tipos de neutrinos que hay, cuya medida aún no se ha realizado. Así, el grupo del IFIC ha determinado que el límite superior para la suma de las masas de los neutrinos debe ser inferior a 0,26 eV (electronvoltios). Para comparar, un electrón tiene una masa de unos 511 keV (kiloelectonvoltios), es decir 511.000 eV, o sea, que un electrón pesa dos millones de meces más que los tres neutrinos juntos.

“Esta es la restricción más precisa hasta la fecha a la masa de los neutrinos con datos de distribución de galaxias, y representa un gran paso en la comprensión de propiedades de las partículas a partir de mediciones cosmológicas”, explica Olga Mena. “Por experimentos de física de partículas sabemos que el valor mínimo de la masa total del neutrino es solo cinco veces menor que el límite superior que hemos encontrado. Nuestros resultados muestran que se puede alcanzar una detección cosmológica de la masa del neutrino, lo cual es sumamente interesante”, argumenta Roland de Putter, también en la Universidad de Barcelona.

Estos resultados fueron presentados el miércoles 11 de enero en la reunión anual de la Sociedad Astronómica Americana (AAS), que se celebra del 8 al 12 de enero en Austin (Texas). El grupo del IFIC de Valencia participa también en otros dos estudios realizados con datos del experimento BOSS. Uno de ellos utiliza la distribución de estas galaxias para determinar con precisión los  parámetros que describen lo que se llama “Universo Lambda CDM”, un universo con geometría plana, una constante cosmológica y materia oscura fría. Esta constante cosmológica representaría la energía oscura responsable de la expansión acelerada del universo.

El otro trata de la llamada “Oscilación Acústica Bariónica”, una señal que se puede utilizar para medir con precisión la historia de la expansión del Universo. La oscilación acústica bariónica es una reliquia de las ondas de sonido que viajaron por el Universo temprano cuando era una “sopa” de partículas (bariones y fotones) caliente, unos 300.000 años después del Big Bang. Las diferencias en la densidad de esta “sopa caliente” que crearon las ondas de sonido dejaron su firma como variaciones estadísticas en la distribución de la luz, detectables como variaciones de temperatura en el Fondo Cósmico de Microondas y en la distribución de los bariones, detectable en los cartografiados de galaxias a gran escala.

El experimento BOSS busca esta señal de Oscilación Acústica midiendo el “corrimiento al rojo” (cambio en la longitud de onda de la luz que emiten las estrellas que sirve para medir su distancia) del espectro individual de millones de galaxias con técnicas de espectroscopía. Para cuando finalice el proyecto, en 2014, se pretende haber analizado 1,5 millones de galaxias luminosas rojas, y para 2012 se prevén los primeros resultados utilizando esta técnica. Mientras tanto, el estudio fotométrico del SDSS utiliza muchas de las mismas galaxias rojas analizadas por BOSS, aunque deduciendo su corrimiento al rojo  usando fotometría, es decir, determinando su brillo en cinco colores distintos.

“Es una oportunidad única, que nos permitirá conocer mucho mejor la naturaleza de la energía oscura, y nos dirá si es sólo una constante cosmológica o es otra cosa, como un campo escalar o una modificación de la gravedad a escalas ultra-grandes de longitud", dice Olga Mena. Entre las instituciones participantes en la tercera fase del SDSS, en la que se incluye el experimento BOSS, está el Instituto de Astrofísica de Canarias, el Instituto de Física Corpuscular, el Instituto de Astrofísica de Andalucía y la Universidad de Barcelona.