¿Son los neutrinos ultrafríos una opción para la materia oscura fría? [duplicar]

Nadie ha visto materia oscura fría. ¿Son los neutrinos ultrafríos (no relativistas), por debajo de 1 fK (femtokelvin), una opción para la materia oscura?

Esta es una pregunta sobre neutrinos normales (neutrinos electrónicos, neutrinos muónicos y neutrinos tau) y no sobre tipos de neutrinos inventados adicionales.

Esta es una pregunta sobre los neutrinos que no están en el fondo cósmico de neutrinos, que tienen una temperatura de 1,95K.

La pregunta es sobre la materia oscura cosmológica, no sobre la materia oscura galáctica.

Su densidad podría ser lo suficientemente grande como para producir la densidad de materia oscura cosmológica observada.

Debido a su baja temperatura y baja energía cinética serían indetectables.

Serían emitidas continuamente por el horizonte cosmológico de la misma manera que la radiación de un agujero negro es emitida continuamente por un agujero negro. Alternativamente, surgirían automáticamente en todo el universo, siempre que el espacio crezca en tamaño.

¿Por qué esto no es posible? ¿O por qué es posible?

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Dado que las respuestas a continuación implican que los neutrinos ultrafríos no pueden ser lo suficientemente densos debido a su carácter de fermiones, ¿podría la condensación de fermiones (a través de pares de Cooper, como en los superconductores) resolver el problema?

Respuestas (2)

Esto no es posible porque los neutrinos son fermiones. Si los neutrinos son muy ligeros, necesita muchos de ellos y, debido al principio de exclusión de Pauli, no puede acumular suficientes en una galaxia. Esta es la razón del límite de Tremaine-Gunn , que descarta la materia oscura fermiónica más ligera que ∼ 1 eV .

Sin embargo, hay muchos modelos de materia oscura que involucran bosones ultraligeros, como axiones, dilatones, fotones ocultos, etc. Es perfectamente posible que la materia oscura sea una gran cantidad de partículas ultraligeras y ultrafrías.

Ok, pero ¿qué pasa con la materia oscura cosmológica? Editaré la pregunta para aclarar esto.
@Christian ¿Quieres decir si los neutrinos fríos podrían ser un pequeño subcomponente de la materia oscura? Claro, supongo que eso es posible, pero podrías tener que encontrar una forma de producirlos, ¡y también una razón que sería interesante! (Tenga en cuenta que la producción debido a los horizontes cosmológicos sí ocurre, pero según las reglas predeterminadas, solo ridículamente lenta en la era actual, muchos órdenes de magnitud demasiado lentos para tener algún efecto notable).
Considero que su comentario significa que la radiación del agujero negro desde el horizonte es insignificante. ¿Es esto correcto? Así que tengo una segunda pregunta. ¿Será que la propia expansión del espacio crea neutrinos ultrafríos? Esta es una idea casi loca, provocada por un amigo de un amigo.
@Christian Eso es precisamente lo que quise decir: la expansión espacial (es decir, que conduce a horizontes cosmológicos) crea neutrinos, junto con cualquier otro tipo de partícula, pero solo extremadamente lentamente en la era actual. Si desea aprender a mostrar esto cuantitativamente, consulte un libro sobre QFT en el espacio-tiempo curvo, como Wald o Birrell/Davies.
@Christian, ¿qué quieres decir con "La pregunta es sobre la materia oscura cosmológica, no sobre la materia oscura galáctica", por lo general se supone que son lo mismo (y me cuesta ver cómo no podrían ser lo mismo) ya que las densidades concuerdan)
Quizás una pregunta estúpida ya que sé poco sobre neutrinos. Pero, ¿no es posible la bosonización de neutrinos?
@knzhou Hay algunas ideas locas de que la expansión podría crear una gran cantidad de neutrinos muy fríos, muy por debajo de un fK. Si entiendo correctamente, el horizonte cosmológico no puede crear protones, ya que el horizonte es demasiado frío. Pero podría ser capaz de crear neutrinos, especialmente si están muy fríos. La otra idea loca que escuché parece muy descabellada: ese espacio dentro del horizonte se llena de neutrinos automáticamente.
@SuperfastJellyfish La bosonización solo tiene sentido en la física no relativista.
@knzhou La pregunta era sobre no relativista, con una energía cinética extremadamente baja, mucho más baja que la masa del neutrino. Si por "bosonización" uno se refiere a la condensación de fermiones a través de pares de cobre, ¡la pregunta de Superfast Jellyfish es realmente muy interesante!
@knzhou ¿Qué es un "fotón oculto"?
¿Es solo 1 eV? Pensé que la restricción era aún más fuerte.

No.

Los neutrinos son materia oscura: son masivos pero no interactúan con la luz. Sin embargo, son un componente muy subdominante. Como @knzhou ya señaló correctamente, el límite de Tremaine-Gunn descarta que la mayor parte de la materia oscura sean fermiones con masas por debajo de aproximadamente 1eV (como los neutrinos). Aún mejor, las observaciones del Fondo Cósmico de Microondas pueden usarse para medir la densidad de neutrinos cuando el universo tenía 300.000 años. Se encuentra que la densidad de neutrinos es inferior al 0,1%. Vea, por ejemplo, esta discusión ligeramente desactualizada pero fácil de leer que conduce a su ecuación 13.

En el contexto de lo que está discutiendo, es posible que desee echar un vistazo, por ejemplo, al artículo de Wikipedia sobre el fondo de neutrinos cósmicos . Esto parece ser a lo que te refieres. Eso es esencialmente el equivalente del fondo cósmico de microondas, pero en lugar de fotones emitidos cuando el universo se enfrió tanto que pudieron fluir libremente, son neutrinos emitidos cuando el universo se enfrió tanto que pudieron fluir libremente.

Se suele decir que el fondo cósmico de neutrinos tiene una temperatura de alrededor de 1,95 K. Mi pregunta era si podría haber muchos más neutrinos de temperatura mucho más baja, digamos por debajo de 1 fK, que forman la densidad de materia oscura cosmológica deducida por el satélite Planck. Es una pregunta loca, lo sé, y solo la hice para entender las cosas. Pensé que la materia oscura cosmológica no necesita obedecer el límite de Tremaine-Gunn con los valores galácticos, pero parece que me equivoqué.
Bueno, cierto, el límite de Tremaine-Gunn solo se aplica a la materia oscura cuando es tan densa como en las galaxias (enanas). Así que no hay nada que te impida postular alguna baja densidad de neutrinos superfríos, en galaxias o en otros lugares. Pero dado que esa densidad tendría que ser pequeña, no sería de lo que está hecha la mayor parte de la materia oscura. Así que no lo pensaríamos en términos de materia oscura entonces. Por supuesto, muchas cosas son concebibles en la ciencia una vez que encuentras la manera de evadir las restricciones experimentales...
También me gustaría preguntar aquí: ¿permitiría un condensado de fermión exceder el límite de Tremaine-Gunn? En otras palabras, ¿los "pares de neutrino-Cooper" permitirían densidades más altas?
claro, el límite de Tremaine-Gunn no se aplica a los bosones.
@Christian, ¿qué fuerza de interacción de largo alcance entre los neutrinos para producir pares de Cooper prevé? En cualquier caso, no funcionaría ya que las parejas solo pueden formarse justo en la parte superior del "mar de Fermi".
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