¿Cómo calcular la densidad de neutrinos reliquia?

¿Pueden no ser neutrinos, sino antineutrinos? O ambos tipos? En el último caso, ¿por qué no se aniquilaron y cuál es la proporción de neutrinos reliquia a antineutrinos reliquia? ¿Está esa proporción relacionada de alguna manera con la asimetría bariónica?

Para referencia: neutrinos reliquia o fondo de neutrinos cósmicos

Al igual que la radiación de fondo cósmico de microondas (CMB), el fondo cósmico de neutrinos es una reliquia del Big Bang.

¿Qué son los "neutrinos reliquia"? No estoy familiarizado con el término, por lo que si pudiera agregar un enlace a más información, sería muy útil.
@David, he agregado el enlace
¿Existen los antineutrinos? Pensé que la creencia general era que los neutrinos eran partículas de Majorana, y también lo son sus propias antipartículas.
Los "neutrinos reliquia" son aquellos que se acoplaron al universo primitivo caliente (antes de que las temperaturas cayeran por debajo de la masa Z) y desde entonces se han enfriado a energías ridículamente bajas. Tienen secciones transversales muy bajas para la interacción con la materia ordinaria según los estándares de la física de neutrinos, y tales interacciones se perderían de todos modos en el ruido térmico.
@Peter, R. Davis, 1955 .
Voix, eso no aborda el punto de @Peter. La cuestión de la naturaleza Majorana o Dirac del neutrino aún no está resuelta. Las observaciones actuales permiten cualquier caso y no ofrecen ninguna razón particular para preferir a Dirac. OTOH, los experimentos de desintegración beta doble sin neutrinos no tienen eventos candidatos hasta ahora... Estén atentos. En el caso de que los neutrinos sean partículas de Majorana, entonces hablar de un antineutrino es como hablar de un antifotón: a veces una noción útil, pero que no denota una entidad separada.
@dmckee, si los neutrinos son partículas de Majorana, ¿entonces la aniquilación de neutrinos en fotones es imposible?
@voic: Toda la física de neutrinos que conocemos y amamos permanece permitida con los neutrinos de Majorana (más algunos diagramas adicionales que están prohibidos para los neutrinos de Dirac). Ciertas cosas (como la conservación de los números de leptones) necesitarían reformularse, pero seguirían siendo útiles. Mi comparación con los fotones es inexacta porque los fotones son bosones mientras que los neutrinos son fermiones, pero no hay fermiones de Majorana fundamentales conocidos con los que compararlos.
@voix Tienes razón. Si los neutrinos son su propia antipartícula, aún pueden aniquilarse entre sí. No va a cambiar mucho los cálculos.

Respuestas (1)

Cuando estaba en la escuela de posgrado en la década de 1990, la referencia estándar para este tipo de cosas era el libro de Kolb y Turner The Early Universe . Incluso después de todos estos años, el tratamiento de este tema en ese libro probablemente siga siendo un buen lugar para buscar.

Incluso si no hay un proceso que produzca asimetría para los neutrinos (como la bariogénesis), aún espera un fondo de neutrinos reliquia que es una distribución térmica (Fermi-Dirac) de neutrinos y antineutrinos, con una temperatura de aproximadamente 2 K. La razón es que, en un momento determinado de la evolución del Universo, la densidad cayó lo suficientemente bajo como para que el número de neutrinos "se congelara": interacciones que podrían cambiar el número de neutrinos (como principalmente mi − mi + ↔ v mi   v ¯ mi ) se volvió tan raro que el tiempo para que cualquier partícula sufriera tal reacción creció mucho más que el tiempo del Hubble.

Ha pasado mucho tiempo desde que miré los modelos de bariogénesis con algún cuidado, pero según recuerdo, se esperaría que algunos modelos también produjeran una asimetría en el sector de neutrinos. Pero en la práctica no creo que eso cambie mucho la predicción. La razón es que la bariogénesis solo tiene que producir una parte en 10 9 asimetría (mil millones y un protones por cada mil millones de antiprotones). Eso produce efectos muy notables hoy, porque esencialmente hubo una aniquilación completa de los antiprotones. Pero la congelación de neutrinos ocurre mucho antes, mientras que los neutrinos siguen siendo relativistas, por lo que no creemos que esa aniquilación masiva haya ocurrido para los neutrinos. Entonces, incluso si hay una asimetría neutrino-antineutrino comparable a la asimetría producida por la bariogénesis, solo debería resultar en una pequeña diferencia en el número de neutrinos sobre antineutrinos.

Déjame decirlo de otra manera. En los primeros tiempos (temperatura mucho mayor que la masa del protón), había números comparables de fotones, neutrinos y protones. La bariogénesis resultó en una asimetría de protones sobre antiprotones en ese momento. Después de eso, casi todos los protones y antiprotones se aniquilaron, dejando el resultado observado de que hoy en día hay mil millones de fotones por cada protón. Pero esperamos que la cantidad de neutrinos reliquia sea del mismo orden que la cantidad de fotones, no de protones, por lo que no se notará una asimetría de neutrinos a nivel de bariogénesis.

Es interesante saber cuál es la sección transversal experimental de la reacción del colisionador "electrón-positrón -> neutrino-antineutrino" cuando el electrón y el positrón simplemente "desaparecen".
@voix: ¿Cómo distinguiría ese caso de la no interacción? Tendría que poder medir las partículas individuales eliminadas de los haces con una precisión suficiente para detectar interacciones débiles. Eso no está en las cartas en este momento.
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