Una nueva física podría estar oculta en los fluidos de neutrinos en las explosiones de supernovas

Los neutrinos son partículas subatómicas eléctricamente neutras y de baja masa que pueden viajar largas distancias a través de la materia sin interactuar con esta última. Se producen en grandes cantidades mediante algunos procesos astrofísicos.

Los astrónomos utilizan enormes detectores para estudiar los neutrinos que llegan a la Tierra. Además de darnos datos astrofísicos, el estudio de estas partículas cósmicas puede proporcionar información sobre su propia naturaleza.

Un nuevo estudio, muestra que los neutrinos creados en las explosiones de estrellas podrían contener física más allá del Modelo Estándar, según cálculos realizados por Po-Wen Chang y sus colegas de la Universidad Estatal de Ohio en Estados Unidos.

Su trabajo explica cómo una interacción hipotética afecta el pulso de neutrinos que se genera en el colapso del núcleo de supernovas, algo que podría verse en observaciones de supernovas existentes y futuras.

Estudiando a las partículas más escurridizas

El equipo de Chang ha explorado la posibilidad de que las explosiones de supernovas puedan desencadenar comportamientos de neutrinos que no pueden explicarse mediante el modelo estándar de física de partículas.

Condiciones extremas

El modelo estándar dice que los neutrinos interactúan entre sí a través de la fuerza nuclear débil o la gravedad. Pero durante el colapso del núcleo de supernovas, se espera que las partículas se agrupen tan densamente que se dispersen entre sí con mucha más frecuencia de lo habitual.

En condiciones tan extremas, algunas teorías que van más allá del modelo estándar sugieren que podría surgir una interacción hipotética llamada Auto Interacción Mejorada o νSI. Se predice que esta interacción es de órdenes de magnitud más fuerte que la interacción débil y, por lo tanto, debería afectar el comportamiento de los neutrinos en tales supernovas.

Para los astrónomos, la oportunidad de observar este efecto llegó en 1987, cuando se registraron 25 neutrinos de SN 1987A en tres detectores de neutrinos. SN 1987A fue una supernova con colapso nuclear que se produjo a sólo 168,000 años luz de distancia, en la Gran Nube de Magallanes.

La idea general es que la Interacción debería haber afectado la naturaleza del pulso de neutrinos que se detectó aquí en la Tierra. Sin embargo, en las décadas posteriores al evento, se han tenido dificultades para calcular los efectos observables en la señal de neutrinos de SN 1987A que establecerían la existencia de tal Interacción.

Hidrodinámica relativista

En su estudio, el equipo de Chang revisó el problema considerando los neutrinos que fluyen hacia afuera desde la estrella de neutrones recién formada en el centro de una supernova de colapso nuclear.

Bajo las limitaciones de la hidrodinámica relativista, sus cálculos mostraron que νSI haría que las partículas actúen colectivamente para formar un fluido denso, estrechamente acoplado y en expansión.

Los investigadores también sugieren que esta expansión podría seguir dos caminos posibles:

• En el primer escenario, los neutrinos saldrían en una explosión repentina. El resultado sería un fluido de neutrinos que se extendería mucho más allá de la estrella de neutrones central, lo que significa que el pulso de neutrinos observado por los astrónomos duraría más.
• En el segundo caso, los neutrinos fluyen con un viento constante y de menor densidad. Aquí, los efectos de νSI desaparecerían más cerca de la estrella de neutrones, lo que daría como resultado un pulso de neutrino más corto.

El equipo de Chang ahora espera que sus ideas se utilicen en futuros cálculos que podrían permitir a los astrónomos identificar evidencia de νSI en datos de neutrinos de SN 1987A.

Basándose en la producción de neutrinos dentro de las supernovas, los investigadores predicen que su teoría del viento constante es más probable que el caso de la explosión, pero por ahora, se necesitará más trabajo para determinar si ambos fenómenos podrían ocurrir en la misma explosión.

En última instancia, sus descubrimientos podrían hacer que sea mucho más fácil para los astrónomos reunir evidencia de νSI una vez que se observan nuevas supernovas en la Vía Láctea o su vecindad galáctica, aunque es posible que falten muchas décadas para que ocurra la próxima.

"Siempre se espera que ocurra otra supernova galáctica en algún lugar y pronto, pero lo mejor que podemos hacer es intentar aprovechar lo que sabemos tanto como sea posible antes de que suceda", concluyó el investigador, cuya investigación se puede revisar en el Physical Review Letters.