Soy una persona muy curiosa a la que siempre le ha fascinado como las matemáticas pueden explicar el origen de la materia y el comportamiento de los fenómenos que tienen lugar en nuestro universo. Nuestro entendimiento de la naturaleza se basa en teorías: construcciones matemáticas que, pudiéndonos subjetivamente gustar más o menos, nos dan resultados con notable precisión. Entre estas, adoptamos aquellas teorías con la mejor relación entre predicciones y parámetros ajustados, es decir, las más predictivas. Hasta ahora, la teoría más exitosa ha sido el modelo estándar, la cual describe con sorprendente precisión la inmensa mayoría de los fenómenos observados en la naturaleza.
Sin embargo, el modelo estándar tiene sus limitaciones. Por ejemplo, no puede explicar por qué nosotros, así como toda la materia que vemos, existimos y el universo no es meramente luz, o por qué hay cinco veces más materia de la que podemos ver, entre otras; evidencias que manifiestan la existencia de nueva física más allá del modelo estándar. El rango de masas y energías donde esta nueva física podría encontrarse es abrumador, pudiendo llegar a desalentar a un físico escéptico. Por supuesto, hay rangos más motivados que otros desde el punto de vista teórico. Muchas de estas ventanas “atractivas” de energía se encuentran más allá del alcance de nuestro acelerador de partículas más potente, el LHC. Hay toda una iniciativa mundial para converger en lo que será el nuevo colisionador que nos permitirá incrementar (moderadamente) el rango de energías a explorar, cuya construcción costará tiempo y dinero.
Empecé mi investigación en el MPIK de Heidelberg, enfocándome en teorías de gran unificación, aquellas donde las tres fuerzas del modelo estándar se unifican en una sola y, por consecuencia, hay menos parámetros libres, más predicciones, entre ellas el espectacular decaimiento del protón. Hice el doctorado en el IFIC, Valencia, donde estudié candidatos a esta materia “extra”, a la que llamamos materia oscura. Muchas de las teorías que desarrollamos, especialmente aquellas donde el número bariónico y el leptónico son fuerzas, predicen nueva física a una escala energética asequible para la nueva generación de colisionadores.
Si bien, también hay motivación de encontrar nueva física a escalas energéticas bajas, más bajas de lo que nuestros experimentos puedan haber detectado. Cuando el impacto energético de potencial nueva física, o incluso de partículas conocidas que nunca ha sido detectadas, como es el caso de los neutrinos cosmológicos, no es suficiente como para “activar” los sensores de los experimentos tradicionales, la tecnología cuántica se vuelve una herramienta clave debido a su elevada sensibilidad en el contexto de fenómenos microscópicos. Crucialmente, esta tecnología es relativamente “barata”, pudiendo desarrollarse en la mesa de un laboratorio, se encuentra en desarrollo constante, sin límites conocidos. Además, fenómenos cuánticos como el entrelazamiento permiten desafiar los límites de ruido estándar, dando espacio a mejorar la sensibilidad de estos aparatos de naturaleza cuántica.
Mi proyecto se basa en el estudio de los interferómetros atómicos y su aplicación como detectores de partículas en un rango de energías totalmente complementario al de los experimentos tradicionales. Los interferómetros atómicos son sensores cuánticos en los que la materia (una nube de átomos) recorre simultáneamente dos trayectorias distintas (análogamente a la luz en un interferómetro láser usual). El objetivo principal de su construcción es la búsqueda de ondas gravitacionales u otros efectos, como la existencia de materia oscura ultraligera, que puedan inducir un cambio en la fase de las franjas medidas.
Durante mi postdoc en el Walter Burke Institute de Caltech, en Pasadena, comenzamos a estudiar el impacto que podrían tener partículas en el ambiente que interaccionasen con estos sensores cuánticos. Como el famoso gato de Schrödinger, vivo y muerto simultáneamente en una caja cerrada hasta que un observador la abre, cada átomo en un interferómetro atómico está en dos sitios a la vez, camino A y camino B. Solamente al observarlos podemos saber, para cada átomo, si está en A o en B. Aunque nosotros no hagamos ninguna medida, si en el ambiente hay partículas que desconocemos (porque escapan la detección de nuestros experimentos “de siempre”) y estas interactúan con el átomo, dichas interacciones “averiguarán” dónde está el átomo (A o B), de manera que “romperán” la superposición cuántica y nosotros dejaremos de observar franjas de interferencia. Este efecto se conoce como “decoherencia cuántica”. Esto nos permite indirectamente detectar cualquier partícula que se encuentre en el ambiente y que interaccione tan elusivamente que nos haya pasado desapercibida por otros métodos. Esta probabilidad de detección se puede incrementar considerablemente jugando con otro efecto cuántico llamado “coherencia”, el cual todavía no se ha explorado en detalle y puede tener un impacto tremendo en la sensibilidad de este tipo de experimentos.
Actualmente, el CERN me ha contratado para continuar desarrollando este proyecto y estudiar este tipo de fenómenos de coherencia y decoherencia cuántica desde el punto de vista teórico, pudiéndolo contrastar las predicciones obtenidas con resultados obtenidos en con interferómetros atómicos. El objetivo de este proyecto es el de tejer una estructura teórica que permita conectar el efecto de partículas de nueva física con las señales observadas en este tipo de experimentos, así como estudiar el “ruido” que nuevas partículas, o partículas que ya conocemos y no pueden aislarse completamente del experimento, puedan causar (afectándo las franjas medidas) en la búsqueda de ondas gravitacionales.
