How does the detection of neutrino mass upset cosmology and physics?

The relationship between neutrino mass and cosmology and physics is very complex. 

The so-called 'Standard Model' describes what we know about how particles and fields operate. It is composed of three ( or two!) fundamental theories for the three fundamental forces in nature: The electromagnetic interaction; the weak interaction; and the strong interaction. The electromagnetic interaction is described by a theory called Quantum Electrodynamics (QED) and this theory has absolutely nothing to do with neutrinos because neutrinos do not carry electric charge, nor interact with matter via the electromagnetic force. It does have to do with the outcome of the mechanism that confers mass on particles, and this mechanism according to weak interaction theory is determined by a new family of particles called the Higgs bosons. Although neutrinos have nothing to do with electrodynamics, the mass of the electron is important to electrodynamics, and its origin is theoretically related to the properties of neutrinos via the Higgs Boson.

Next we have the weak interaction...the force that transforms one kind of particle into another through the agent of the W+, W- and Z0 particles. Neutrinos only interact via the weak force so some parts of the theory of the weak interaction may have to be revised, but not the entire theory. Of particular interest is the first attempt at unifying the electromagnetic and weak interactions via 'Electroweak theory'. This theory has been tested in many ways and found to be quite accurate and is considered part of the Standard Model, but it requires that neutrinos be completely massless in its simplest version. There is a specific, new, particle/field that PRODUCES mass called the Higgs Boson, and depending on the mathematics of how this particle family interacts with fermions ( quarks, electrons, muons, tauons and their neutrinos) each acquires a different amount of mass at low energy. It is apparently at this subtle level that some adjustments have to be made in the theory because we now know that the electon neutrinos have a slight mass ( about 5 eV or 1/100,000 the mass of the electron) and from the Super- Kamiokande experiments, muon neutrinos also have mass ( about 0.005 eV or 1/10 millionth the mass of an electron). Presumably the Tauon neutrino also has an even smaller mass. Considering that the lightest known particle susceptible to the weak interaction has a mass of 100 times the mass of an electron, the Electroweak Theory has so-far done a tremendous job in accounting for how things work! BUT, no one has even seen a Higgs Boson yet, and it remains one of the most annoying and 'in-elegant aspects to the theory so some physicists have grumbled that Electroweak Theory with Higgs Bosons was probably doomed from the start.

Finally we have the strong interaction which is covered by a theory called Quantum Chromodynamics. Since one kind of quark can be transformed into another via the weak interaction, QCD may also have to be modified somewhat, but the chief modification will have to do with the decay rates of the heavier quarks and probably not with the details of how the strong interaction is mediated by gluons.

So, the mass of the neutrinos may not DIRECTLY have any impact upon QCD or QED, The explanation for why neutrinos have mass is part of the same explanation for why quarks and electrons have the masses that THEY have, and so massive neutrinos have a great potential to impact seemingly unrelated subjects.

This is a wonderful situation in physics because this is how theories progress and refine themselves. The confirmation of mass in neutrinos will now get theoreticians to have another look at their theories and refine them even more. Many hope that we will come out of this with either a better understanding of where 'mass' comes from, a vindication of the Higgs model for 'symmetry breaking', or a revolutionary new mechanism for accomplishing these same things that will be in even greater accord with observations at low energy.

As for cosmology, big bang cosmology is only as good as the physics you put into it. Currently, big bang cosmology using the Standard Model, predicts what the early universe looked like...its particles and fields and their interactions. Out of this has come the prediction that in addition to the fireball radiation carried by light, there should exist a wide-spread neutrino 'fireball' with a precise number of neutrinos for every cosmic background photon that came out of the big bang. Since, in previous calculations, these neutrinos have been assumed to be massless, they only contribute a small amount to the total mass of the universe...a parameter which controls the evolution of the universe. Each of the three types of neutrinos will be present in space in precise numbers, but if you multiply each one by the non- zero mass of the neutrino, you actually can end up with more mass in neutrinos than in all the stars and matter in the universe! We know that 'dark matter' exists in the universe, and neutrinos most certainly contribute to this, so discovering mass in neutrinos now has begun to solve the 'dark matter' problem in astronomy...which is very good!

Will big bang cosmology be thrown out because of this? Well it is actually complicated. The abundance of hydrogen, helium, deuterium and lithium predicted by big bang cosmology depends on the rates at which neutrons decay..and this rate can be affected by any change in the weak interaction theory that you have to introduce. The biggest change is in the number of distinct neutrino types. About 10 years ago, astronomers thought they demonstrated that only three types of cosmologically-important neutrinos existed based on the big bang model and the measured element abundances. If the Standard Model gets changed by adding more neutrino types, then this has a severe impact on big bang cosmology. Once physicists come up with a revised 'Standard Model' that has been tested and found to be more accurate, the big bang element abundance calculations will be re-run to see what the impact on cosmology actually is. It is much too soon to tell if massive neutrinos will help big bang cosmology (by identifying dark matter) or hurt it ( by making the element abundances come out wrong).

¿Cómo la detección de la masa del neutrino afecta la cosmología y la física?

La relación entre la masa del neutrino y la cosmología y la física es muy compleja. 

El llamado 'Modelo Estándar' describe lo que conocemos sobre cómo las partículas y los campos operan. Está compuesto por tres (¡o dos!) teorías para las tres fuerzas fundamentales en la naturaleza: La interacción electromagnética; la interacción débil; y la interacción fuerte. La interacción electromagnética está descrita por una teoría llamada Electrodinámica Cuántica (EDC) y esta teoría no tiene nada qué hacer con los neutrinos porque los neutrinos no llevan carga eléctrica, no interactúan con la materia por medio de la fuerza electromagnética. Pero (la masa del neutrino) tiene que ver con el resultado del mecanismo que le confiere masa a las partículas, y este mecanismo acorde con la teoría de la interacción débil está determinado por una nueva familia de partículas llamadas los bosones de Higgs. Aunque los neutrinos no tienen nada que ver con la electrodinámica, la masa de los electrones es importante para la electrodinámica, y su origen es relacionado teóricamente a las propiedades de los neutrinos por medio de los Bosones de Higgs.

Luego tenemos la interacción débil... la fuerza que transforma una clase de partícula en otra a travéz de la acción de las partículas W+, W- y Z0. Los neutrinos sólo interactúan por medio de la fuerza débil, algunas partes de la teoría deben ser revisadas pero no toda. Es de principal interés unificar las interacciones débil y electromagnética por meido de la 'Teoría Electrodébil'. Esta teoría ha sido comprobada de muchas maneras y se ha encontrado que es bastante acerdada y se la consedera aprte del Modelo Estándar. pero en su forma más simple requiere que los neutrinos no tengan masa. Existe una nueva partícula/campo que PRODUCE la masa llamada el Bosón de Higgs, y dependiendo matemáticamente de cómo esta familia de partículas interactúa con los fermiones (quarks, electrones, mounes, partículas tau, y sus neutrinos) cada uno adquiere una masa diferente a bajas energías. Es aprentemente que a este nivel se deben hacer algunos ajustes a este teoría ya que sabemos que los neutrinos electrón tienen una pequeña masa (alrededor de  5 eV or 1/100,000 la masa del electrón), y por los experimentos del Super Kamiokande los neutrinos muón también la tienen (alrededor de 0.005 eV or 1/10 millones la masa del electrón). Es posible que el neutrino Tau también tenga una masa aún más pequeña. Considerando que las partículas más ligeras conocidas que es suseptible a la interacción débil tiene 100 veces la masa del electrón, ¡la teoría electrodébil ha realizado un tremendo trabajo informando cómo las cosas trabajan! PERO nadie hasta ahora ha visto un bosón de Higgs aún, y eso deja una de las mayores molestias y un aspecto poco elegante a la teoría tanto que algunos científicos han protestado que la Teoría Electrodébil con sus bosones de Higgs está arruinada desde su inicio.

Finalmente tenemos la interacción fuerte que está cubierta por una teoría llamada Cromodinámica Cuántica. Desde que una clase de quarks pueden comvertirse en otra vía la interacción débil, la CDC ha tenido que ser modificada, pero la principal modificación ha sido sobre el decaimiento de los quarks más pesados y probablemente no en los detalles de cómo la interacción fuerte interactúa mediamnte los gluones.

pero la masa de los neutrinos puede que no impacte DIRECTAMENTE con la EDC o la CDC, la explicación de porqué los neutrinos tienen masa es la misma explicación de porqué los quarks y los electrones tienen la masa que ELLOS tieene, y los neutrinos masivos tienen un gran potencial de impactar aparentemente en estos temas sin relación.

Esta es una maravillosa situación en la física porque es así como las teorías progresan y se refinan. La confirmación de la masa de los neutrinos obligará a los teóricos revisar sus teorías y refinarlas. Muchos esperan que se obtenga una mejor comprensión de dónde la 'masa' viene, una reindinvicación del Modelo de Higgs sobre la 'ruptura de la simetría', o un revolucionario nuevo mecanismo de acoplamiento de las mismas cosas que están acordes con las observaciones a baja energía.

para la cosmología, la cosmología del Big Bang es tan buena como la física que hay en ella. Actualmente, la cosmología del Big Bang usando el Modelo Estándar, predice que el universo inicial se vería como... sus partículas, campos y sus interacciones. Fuera de esto ha traído la predicción que en adición a la bola de fuego llevada por la luz, debe existir una 'bola de fuego' de neutrinos de gran amplitud con un número presico de neutrinos para cada fotón del fondo cósmico que originó el Big Bang. Desde que, en cálculos previos, se asumió que los neutrinos no tenían masa, ellos sólo contribuían en pequeña parta a la masa total del universo... un parámetro que controla su evolución. Cada uno de los tres tipos de neutrinos se presentará en el espacio en un número preciso, pero si se multiplica cualquier número por la masa del neutrino diferente de cero, ¡actualmente puedes terminar con más masa en neutrinos que todas las estrellas y la materia del universo!. Sabemos que la 'materia osucra' existe en el universo, y los neutrinos ciertamente contribuyen bastante a ella, entonces descubriendo masa en los neutrinos ahora hemos empezado a resolver el problema de la 'materia oscura' en astronomía... lo cual es muy bueno!

¿Será la cosmología del Big bang abandonada a causa de esto? Bueno, actualmente es complicado. la abundancia de hidrógeno, helio, deuterio y litio predecida por la cosmología del Big Bang depende de las cantidades del decaimiento de ciertos neutrinos... y estas cantidades pueden ser afectadas por cualquier cambio que se introduzca en la teoría de la interacción débil. El más grande cambio está en el número de los tipos de neutrinos. Hace 10 años los astrónomos pensaron haber demostrado que sólo existían tres tipos de neutrinos cosmológicamente importantes basados en el modelo del Big Bang y en la medición de la abundancia de los elementos. Si se cambia el Modelo Estándar añadiendo más tipos de neutrinos, entonces tendrá un gran impacto sobre la cosmología del Big bang. Una vez que los físicos sugieran un Modelo Estándar revisado que ha sido probado y es más acorde, los cálculos del Big Bang sobre la abundancia de los elementos volverán a ser lanzados para ver cuál es su impacto en la cosmología. Es muy pronto para decir si los neutrinos masivos ayudarán a la cosmología del Big Bang (por la identificación de materia oscura) o la dañarán (haciendo que la abundancia de los elementos esté mal).


la mecánica cuántica asigna a cada una de las cuatro fuerzas de la naturaleza cierto tipo de partículas con las que interactúan con la materia. La partícula para el electromagnetismo es el fotón, un electrón y un protón intercambian fotones que son medidos como atracción electromagnética. Las partículas de la fuerza débil son las llamadas W+, W- y Z cero. Las partículas de la fuerza fuerte son los gluones los cuales aún no han sido detectados. Las partígulas de la fuerza gravitatoria son los gravitones, los que aún sólo existen como teoría.




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