Simulación de un choque de partículas en el LHC
Simulación de un choque de partículas en el LHC - CERN

¿No aparece la Nueva Física? Usemos la fuerza bruta

Los métodos convencionales no han producido ningún descubrimiento desde el hallazgo del bosón de Higgs en 2012. Los físicos del LHC quieren cambiar esta situación

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Han pasado ya seis años desde el descubrimiento del bosón de Higgs y la Física, desde entonces, parece haber entrado en un incómodo impasse. Tras casi 50 años de búsqueda, el hallazgo en 2012 de la esquiva partícula cuya existencia fue predicha por Peter Higgs en 1964 completó el Modelo Estándar y cerró un capítulo importante en nuestra comprensión de la materia y las leyes que la gobiernan. Pero el Modelo Estándar, la teoría que reúne a todos los componentes de la materia junto a las interacciones a las que están sometidos, deja sin explicar cuestiones importantes, entre ellas la gravedad, cuya partícula asociada, si es que existe, jamás ha sido descubierta, la materia y la energía oscuras o la inexplicable falta de antimateria en el Universo.

Algo, y muy gordo, se nos debe haber escapado, y los físicos no saben qué puede ser. Lo malo es que el Modelo Estándar ha demostrado una y otra vez, prueba tras prueba, sus bondades y su capacidad para explicar hasta el mínimo detalle todas las partículas y leyes que contiene. Pero resulta evidente que, de alguna forma que aún no comprendemos, se trata de una teoría inclompleta.

Allí, en alguna parte, en algún oscuro resquicio de lo que conocemos, debe existir toda una «nueva Física» capaz de dar las respuestas que faltan. ¿Pero dónde? Durante los últimos sesenta años, los físicos experimentales han estado utilizando las sucesivas generaciones de colisionadores para confirmar, o rebatir, las predicciones de una teoría que acertó en la inmensa mayoría de las ocasiones.

De esta forma, si el Modelo Estándar predecía que en un rango concreto de energías de colisión tenía que aparecer tal o cual partícula subatómica jamás vista hasta ese momento, esa partícula se manifestaba en cuanto las máquinas eran capaces de proporcionar la energía suficiente. No importaba que fuera necesario esperar años, o décadas enteras, para ser capaces de construir el acelerador que se necesitaba. Al final, una vez tras otra, lo predicho por la gran teoría de la Física se terminaba cumpliendo casi a rajatabla.

Pero en 2012, el hallazgo del bosón de Higgs puso el punto final a este periodo floreciente y lleno de descubrimientos excepcionales. Y no existe una teoría alternativa ni lo suficientemente contrastada que sea capaz de llevarnos «más allá» del Modelo Estándar. En otras palabras, los físicos se han quedado, de repente, sin una sólida guía teórica a la que seguir. Y por no saber, en estos momentos ni siquiera tienen muy claro qué es exactamente lo que deberían buscar.

Búsquedas por la fuerza bruta

Por eso, tal y como explica esta semana Davide Castelvecchi en una nota publicada en Nature, los físicos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador más poderoso del mundo, han empezado a considerar «otros métodos» y enfoques para dar con alguna pista que les lleve hasta esa nueva física. Se trata, fundamentalmente, de una forma alternativa de buscar entre la enorme cantidad de datos creados por el colisionador, con la esperanza de que en alguna parte logre detectarse un comportamiento «anómalo» que vaya más allá del Modelo Estándar.

Hasta ahora, la inmensa mayoría de los estudios hechos en el LHC se basaban en búsquedas específicas, orientadas en alguna predicción concreta de la teoría. Ahora, por el contrario, se trata de empezar a hacer «búsquedas generales», es decir, sin un objetivo previamente definido, esperando encontrar algo interesante. Sería como dejar de pescar una clase concreta de pez en el mar, ajustando al máximo las técnicas y los medios para capturarlo, para empezar a echar redes de forma indiscriminada y coger todo lo que caiga en ellas, con la esperanza de capturar así alguna especie desconocida. En otras palabras, sustituir las búsquedas específicas por otras generales y basadas en la fuerza bruta.

La colaboración ATLAS (uno de los cuatro grandes experimentos del LHC) acaba de describir su primera búsqueda «general» en un artículo publicado en arXiv.org. CMS, otro de los experimentos del LHC, ya está trabajando en un proyecto similar.

«Mi objetivo -explica a Nature Sascha Caron, de la Universidad Radboud de Nijmegen, en los Países Bajos, y líder del nuevo enfoque en el experimento ATLAS- es tratar de encontrar una forma realmente nueva de buscar nueva física, una basada en los datos y no en la teoría». Para el investigador, ese nuevo tipo de búsquedas podrían alcanzar su pleno potencial cuando se incorporen a ella los cada vez más sofisticados algoritmos de Inteligencia Artificial.

Los investigadores esperan que el nuevo método logre así llevarles hasta su próximo gran descubrimiento, algo que no sucede desde la detección del bosón de Higgs en 2012.

Durante un experimento «convencional», el LHC destruye millones de protones por segundo, haciéndoles chocar a energías colosales para estudiar las partículas que surgen de su descomposición, que son registradas por los grandes detectores ATLAS y CMS. Pero muchos tipos diferentes de colisiones de partículas pueden producir los mismos deshechos. Por ejemplo, la descomposición de un bosón de Higgs puede producir un par de fotones.

Pero también muchos otros procesos pueden hacer lo mismo. De modo que, para buscar el Higgs, los físicos hicieron primero una serie de simulaciones para predecir cuántos de esos pares «impostores» de fotones cabría esperar. Luego contaron todos los pares de fotones registrados por el detector y los compararon con esas simulaciones. La diferencia, un ligero exceso de pares de fotones dentro de un estrecho rango de energías, fue la evidencia de que el Higgs existía.

Durante los últimos años, tanto ATLAS como CMS ha llevado a cabo centenares de esta clase de «búsquedas específicas» para localizar partículas que no aparezcan en el Modelo Estándar. Algunas de esas búsquedas han tratado de localizar partículas supersimétricas, como el neutralino, uno de los candidatos para la materia oscura predicho por una «extensión» del Modelo Estándar. Pero hasta ahora todas esas búsquedas han resultado infructuosas.

Existe, sin embargo, la posibilidad de que haya «partículas exóticas» que produzcan firmas en las que nadie había pensado (y que no están, por lo tanto, incluidas en una teoría). Y esas partículas tienen muchas más probabilidades de ser encontradas usando búsquedas generales, y no específicas. De hecho, mientras que las búsquedas dirigidas normalmente consideran solo algunos de los múltiples productos de descomposición, el nuevo estudio de ATLAS podrá examinar centenares de tipos a la vez.

Hasta ahora, los investigadores han trabajado con los datos de 2015 y no han encontrado desviaciones significativas. Pero eso podría cambiar en los próximos meses, ya que los físicos trabajan ahora con los datos recopilados en 2016 y 2017, un «tesoro» decenas de veces más grande. El siguiente paso será, como se ha dicho, utilizar la Inteligencia Artificial para el análisis de esos datos y el «machine learning» o aprendizaje automático para buscar patrones en los datos sin tener que seguir ninguna teoría o idea preconcebida.

«Queremos revertir la estrategia -concluye Caron-. Dejemos que los datos, y no las teorías, nos digan dónde debemos buscar a partir de ahora».