¿Cómo es posible descubrir neutrinos a partir del Big Bang? ¿Se emitieron los neutrinos justo antes del big bang? ¿O en el mismo momento? Si se desplazaron hacia el exterior en todas direcciones, básicamente sin el obstáculo de la materia o la gravedad, ¿cómo podemos esperar detectarlos alguna vez? ¿A no ser que algo hiciera que algunos de ellos volvieran atrás y viajaran en otra dirección?
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Tema 1: El error de la expansión
Olvida todo lo que creías haber visualizado sobre el Big Bang. Empecemos de cero.
En primer lugar, imagina una hoja de goma con una cuadrícula marcada en ella. Esta lámina representa el espacio. No es curva, ni se curvará nunca en este ejemplo. Puede que se estire, pero eso tampoco es especialmente importante aquí. Coloca una bombilla en cada punto de la cuadrícula que represente, por ejemplo, una galaxia.
Ahora el salto conceptual: imagina que empiezas con un infinito hoja. Hay galaxias que se extienden tan lejos como puedas imaginar. Es una descripción cualitativa bastante buena de nuestro universo, con la salvedad de ser 2D en lugar de 3D. (Imagina una magdalena infinita de arándanos si quieres 3D).
Digamos que las bombillas se encienden todas. En algún momento $t_0$ enciéndelas todas. La bombilla situada a un metro de usted recibirá la primera luz unos nanosegundos después de que $t_0$ . La bombilla $300{,}000\ \mathrm{km}$ lejos de usted parecerá encenderse un segundo completo después de que $t_0$ . Y así sucesivamente.
En cualquier momento $t > t_0$ bombillas a distancia $c(t-t_0)$ lejos se verá sólo encenderse. Tales bombillas se pueden encontrar en todas las direcciones. Del mismo modo, los fotones que se desacoplaron del plasma primordial en la recombinación, o los neutrinos que hicieron lo mismo incluso antes en el universo, siempre están llegando a la Tierra. Cuanto más tarde llegan, más lejos deben haberse originado, pero recuerde que el universo es infinito: siempre hay un "más lejos" de donde pueden haberse originado. El hecho de que el universo esté en expansión cambia este sencillo modelo en detalles cuantitativos, pero no cualitativos.
Número 2: "Sin obstáculos de materia o gravedad"
El hecho de que los neutrinos no interactúen mucho con la materia es bien . Significa que no se detendrán en su viaje de miles de millones de años para llegar hasta nosotros.
En cuanto a la gravedad, cabe señalar que cualquier masa de neutrinos distinta de cero significa que, en teoría, pueden ser capturados por un pozo de potencial gravitatorio, incluso uno que no corresponda a un agujero negro.
Número 3: Detección
El único problema real de la detección de neutrinos relictos, aunque muy grande, es que es increíblemente difícil detectarlos. Por término medio, sólo uno de un gran número interactuará con el detector. Y las posibilidades de interacción disminuyen con la velocidad del neutrino. Porque se espera que los neutrinos relictos sean bastante fríos (por la misma razón que los fotones del CMB son fríos: se enfrían a medida que el universo se expande), los detectores de neutrinos que tenemos no tienen ninguna esperanza de verlos. Todo lo que podemos ver son los neutrinos mucho más energéticos que provienen de cosas como la fusión nuclear en el Sol.
Philip Carpenter Lee
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Abordando parte de su pregunta:
Los neutrinos no se emitieron antes (o al principio) del Big Bang. "Antes del big bang" es una frase que vuelve locos a los filósofos, pero como el big bang fue el principio del espacio y el tiempo, se piensa que no hubo "antes". Además, los neutrinos de cualquier tipo no podrían haberse formado hasta unas fracciones de nanosegundo después del big bang. ¿Por qué? En el universo primitivo (es decir, órdenes de magnitud más pequeños que eso), no había nada parecido a lo que conocemos hoy. Los neutrinos, electrones, quarks y otras partículas elementales se formaron más tarde, en uno o dos nanosegundos.
Los detectores de neutrinos son ciertamente factibles de hacer, y hay muchos en funcionamiento, como el detector Super Kamiokande en Japón, pero es muy difícil detectar neutrinos, y no veo ninguna razón por la que debería ser más fácil (de hecho, yo pensaría que sería mucho más difícil) encontrar estos. Cualquiera de estos "neutrinos reliquia" (como dijo @CuriousOne) no sería emitido desde una sola dirección, a diferencia de, digamos, los neutrinos solares, que provienen de una sola dirección: el Sol. Por último, debo añadir que no tengo ni idea de qué pensar de tu última frase, así que no intentaré responder a ella.
