María Moreno Llàcer: "Puede que el bosón de Higgs no se trate de una partícula elemental"

Para tratar de explicar la carrera científica de María Moreno Llàcer (Valencia, 1984), una de las físicas jóvenes más reconocidas de nuestro país, podríamos extendernos en detalles técnicos sobre la falta de simetría en la aniquilación de materia y antimateria tras el Big Bang, pero al final del día, su trabajo podría resumirse en esa misma pregunta que ha atormentado durante siglos a filósofos desde Parménides hasta Wittgenstein: ¿por qué hay algo en vez de nada? La gran diferencia es que lo que ellos quisieron demostrar con palabras, Moreno trata de resolverlo con el gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN suizo, en cuyo experimento ATLAS colabora desde el año 2007 y desde el que participó en el descubrimiento del bosón de Higgs, uno de los mayores descubrimientos científicos de este siglo.

Cuando no está allí, esta investigadora se desempeña en el Instituto de Física Corpuscular (IFIC) del CSIC y la Universidad de Valencia. Ha obtenido prácticamente todos los reconocimientos que una científica puede obtener en este país antes de los 40 años; el último, la distinción For Women in Science que concede anualmente el programa L’Oréal-UNESCO al mejor talento femenino joven de la ciencia en España.

Antes de comenzar el interrogatorio, un breve antecedente de 13.800 millones de años para ponernos en situación. El Big Bang produjo una gigantesca cantidad de materia que, según las leyes con que está escrita la naturaleza, tendría que haber producido una cantidad simétrica de antimateria. La materia y la antimateria se habrían consumido mutuamente, disipando energía en forma de fotones. Tras el gran fogonazo, el resultado sería cero. Sin embargo, en aquel instante inicial del universo, algo falló... o acertó para que pudiéramos tener protones, neutrones, estrellas y planetas.

Las razones de esto han sido perseguidas desde la antigüedad, hasta el momento sin respuesta. Algunos, los cosmólogos, han buscado la respuesta en el firmamento, por ejemplo, analizando si quedan regiones del universo en las que predomine la antimateria. Otros, los físicos teóricos y experimentales, intentan imitar en los aceleradores de partículas las condiciones que hubo entonces para tratar de entender qué pudo pasar, cómo se pudo romper esa simetría materia-antimateria que está en la base de todo lo que conocemos.

Moreno Llàcer se centra en estudiar este fenómeno empleando una de las partículas elementales —las más pequeñas en que la ciencia ha sido capaz de descomponer la materia, que desde hace décadas sabemos que va más allá del protón, electrón, neutrón— más recientes en ser descubierta: el quark top (en español: quark cima), de cuya existencia no teníamos ni idea hasta hace 30 años, pero que podría acabar por revelar aquello que Martin Heiddeger denominó "la cuestión fundamental de la metafísica".

PREGUNTA. Seguimos sin saber por qué tenemos un universo en lugar de nada. ¿Cuál es para ti la hipótesis más probable, o aquella que os esforzáis por demostrar?

RESPUESTA. Buscamos el que se haya roto alguna simetría, porque claramente algo hace que haya más materia que antimateria. Si no, no estaríamos aquí.

Y buscamos esto en diferentes ámbitos, en el bosón de Higgs, en los quarks, los neutrinos... porque la teoría más aceptada hoy en día predice que tiene que haber una asimetría, pero muy pequeñita. Tiene que haber nuevas fuentes que aún desconocemos, por eso es importante buscar esta violación de la simetría —que a veces se llama violación CP— en diferentes partículas: quarks, bosones, electrones...

P. Estáis buscando esta violación tanto en el mundo subatómico, en vuestro caso, como en lo más grande, que es lo que están haciendo muchos cosmólogos. ¿Cómo es la relación entre ambos perfiles, hay comunicación?

R. Como tiene que haber nuevas fuentes, hay que buscar por todos lados. Entonces ellos buscan a escalas más grandes y nosotros al revés, estudiando las partículas elementales que producimos en el colisionador de Hadrones del CERN. Es complementario, no hay competencia

P. Lo que hacéis es tratar de replicar dentro del LHC esas condiciones extremas que hubo en el Big Bang para ver si en algún momento se produce algo parecido a una violación de esa simetría, ¿no? Para comprobar si es posible.

R. Lo que realmente hacemos con el acelerador es producir un chorro de energía capaz de producir partículas que no existen en la naturaleza pero que existieron en el origen del universo, y a ver si estudiando esas lo vemos.

P. Cada vez que, a lo largo de la historia, se ha descrito un modelo del átomo, desde Ernest Rutherford a Niels Bohr pensaban que lo que habían encontrado eran partículas elementales, que no podía haber nada más pequeño dentro de aquellos neutrones o protones. Años o décadas después, con otras herramientas, se vio que sí que lo había. ¿Estamos seguros ahora de que no puede haber algo más elemental que un quark o un bosón?

R. Diría que sí. Mejor dicho, creo que estamos bastante seguros de que los quarks y los leptones, que son lo que llamamos fermiones, son elementales. Pero el otro tipo de partículas, que son los bosones y entre ellos el de Higgs, creo que es menos obvio. Nosotros decimos que los fermiones son los constituyentes de la materia y los bosones los que hacen que hablen entre ellos, que interaccionen.

"Hay muchas teorías que sugieren que el bosón de Higgs es algo compuesto"

Hay muchas teorías que señalan, y yo diría que soy partidaria —aunque aún me queda por entender toda la parte teórica porque soy física experimental— de que el bosón de Higgs es algo compuesto. Este bosón explica por qué las cosas tienen masa, pero aún nos quedan varios interrogantes. Uno de ellos es por qué es más ligero de lo que pensábamos, porque al ser la partícula elemental que da masa al resto, uno de forma natural pensaría que tiene que ser la más masiva. Y resulta que hay un quark, el top que yo estudio, que tiene más masa que el Higgs.

P. Y eso os está llevando a pensar que igual hay algo por debajo.

R. Sí, justo por eso se cree que es compuesto y que quizá hay más bosones de Higgs por ahí.

P. ¿Pero el LHC es lo bastante potente como para averiguar esto experimentalmente?

R. Es demasiado pronto, necesitamos más energía y más datos. Pero esa teoría aún no está descartada y va ganando peso a medida que se descartan otras.

P. ¿Por qué te interesaste por el quark top, cuál es el rol que crees que tiene en estas violaciones de la simetría?

R. Acabé la carrera en 2007 y tuve la oportunidad de irme al CERN como estudiante de verano, en una beca. Y bueno, pues me cambió la vida. Entonces el LHC estaba acabándose de construir, tenía claro que quería hacer el doctorado y dije 'pues trabajo en esto'. Iba a empezar a tomar datos pronto y era una oportunidad. Entonces la partícula quark top se descubrió en el 95. Era la partícula más nueva y bueno, el grupo de Valencia en el que yo tenía un pequeño grupo trabajando en el quark top. Fue algo natural, el LHC ofrecía por primera vez producir quarks en mayor cantidad que lo que habíamos podido hacer hasta ahora. Quizá encontraríamos el bosón de Higgs, quizás no, pero el quark top era seguro que sí, seguro que lo podrían estudiar con mayor precisión. De hecho, se dice que el LHC es una fábrica de quarks top.

"Se dice que el LHC es una fábrica de quarks top"

Luego, en concreto, había dos temas que eran los que más me atraían para mi tesis: medir la masa del quark top, una cosa que no se había hecho, y otra era buscar violación de simetría CP con quarks tops que hasta entonces tampoco se había hecho, pero por falta de datos, por una cuestión estadística. Entonces yo elegí esta segunda opción.

P. ¿Y qué resultados habéis obtenido hasta el momento?

R. Pues realmente, no se ve que haya esta violación de CP en el quark top. Lo que sí hemos logrado es poner límites. Hemos acotado un poco la cantidad de violación de CP que podría haber en un determinado sector del quark top.

P. Una de las aproximaciones que estás desarrollando es el uso de la inteligencia artificial en todos estos procesos. ¿Qué os están aportando estas herramientas?

R. Llevamos utilizándolas mucho tiempo. Las usamos, por ejemplo, para reconstruir la creación de unas partículas tras una colisión a partir de las señales eléctricas que dejan en el detector.

P. Para que la gente lo entienda. Vosotros ponéis en marcha este colisionador de hadrones y ahí se producen una serie de colisiones que generan unas minúsculas señales, imperceptibles a simple vista. ¿Luego es cuando entran en juego este tipo de programas?

R. En efecto. Utilizamos estas herramientas desde lo que llamamos la definición de objetos a partir de las señales en el detector. Una vez yo ya lo tengo seleccionado —esto es un quark top o esto es un candidato a bosón de Higgs— y quiero reconstruir un suceso, la IA me permite distinguirlo de otros que dan esa misma señal en el receptor.

Para entrenar estos algoritmos utilizamos simulaciones de Montecarlo. Estas simulaciones son lo que utilizamos, porque tú ya sabes lo que es, para entrenar algoritmos y distinguir las señales que nos interesan respecto a todo lo que quiero descartar. Entonces los entrenamos y, aunque puede que la IA no lo vaya a hacer bien al 100%, sabemos que al menos lo hará relativamente bien.

P. ¿En qué más os ayudan este tipo de herramienta?

R. Es mucho más potente, por lo que te ayuda a mejorar la precisión de las medidas. ¿Por qué? Porque lo que hacíamos antes para distinguir esta señal respecto del ruido de fondo era cortar, o sea: solo me quedo con sucesos que están en esta zona del detector o que tienen una masa muy alta. Entonces estos algoritmos te permiten combinar toda esta información y hacer un análisis multivariado.

P. Y os pueden ayudar, por ejemplo, a que incluso aunque no estés buscando algo en concreto, eso esté en segundo plano y de repente diga "oye, fíjate ahí, ¿hay algo interesante?"

R. Efectivamente. Hasta ahora la hemos utilizado un poco para clasificar: lo que es mi señal o lo que no estás buscando. Lo que dentro de las técnicas de inteligencia artificial se llama clasificación. La otra es la regresión, que es predecir algo. Esta tercera se llama detección de anomalías. No sé lo que busco, pero aquí hay algo diferente. Entonces eso realmente lo entrenas con lo que conozco o conocemos de nuestra teoría, y cuando la IA ve algo anómalo se produce la detección.