Del misterio de los neutrinos y las ondas gravitacionales al diagn¨®stico del c¨¢ncer en milisegundos

Una cr¨ªtica simplista y habitual sobre las investigaciones del origen y el comportamiento del universo es su falta de aplicaci¨®n pr¨¢ctica en la vida cotidiana. Si la respuesta de que esos estudios permiten conocer nuestro mundo y el surgimiento de la vida no es suficiente, dos de los diez premios de la Sociedad Cient¨ªfica Inform¨¢tica de Espa?a (SCIE) ¨C Fundaci¨®n BBVA (dotados con 5.000 euros) de este a?o aportan una contestaci¨®n contundente: los inform¨¢ticos Sa¨²l Alonso Monsalve, madrile?o de 28 a?os, y Pablo Morales ?lvarez, granadino de 30, han sido galardonados por sus trabajos con inteligencia artificial para identificar neutrinos y medir los efectos de las ondas gravitacionales, dos singularidades universales que les han llevado a desarrollar herramientas que ayudan a diagnosticar el c¨¢ncer en milisegundos.

Los neutrinos son la segunda part¨ªcula m¨¢s abundante del universo despu¨¦s de los fotones (part¨ªculas de la luz). Billones de los primeros atraviesan cada segundo nuestro cuerpo ¡ªy cualquier materia¡ª, ya que carecen de carga el¨¦ctrica y solo interaccionan con la fuerza nuclear d¨¦bil (una de las fuerzas conocidas junto a la gravedad, la electromagn¨¦tica y la nuclear fuerte). Tambi¨¦n tienen masa, aunque no se conozca cu¨¢nta ni c¨®mo se origina, y viajan en l¨ªnea recta, por lo que son mensajeros ¨²nicos del origen del universo. Pero estas singularidades los hacen muy dif¨ªciles de detectar, tanto que se les llama ¡°part¨ªculas fantasma¡±.

Los tipos de neutrinos (electr¨®nico, mu¨®nico y tau¨®nico) se conocen en f¨ªsica como ¡°sabores¡± y oscilan. ¡°Eso significa¡±, explica Alonso Monsalve, ¡°que al medir el sabor de un neutrino un tiempo despu¨¦s de haberse generado, es posible que haya cambiado. Las part¨ªculas de materia (dominantes, aunque no se sabe por qu¨¦) interact¨²an con la antimateria, lo que se denomina violaci¨®n CP (paridad de carga). De esta forma, neutrinos y antineutrinos oscilan de forma diferente. ¡°Descubrir la violaci¨®n CP en el sector de neutrinos podr¨ªa explicar, por fin, la diferencia entre materia y antimateria en el universo y darnos mucha informaci¨®n de su origen¡±, detalla el investigador inform¨¢tico.

Para desentra?ar los neutrinos, Alonso Monsalve ha participado en el Experimento de Neutrinos Subterr¨¢neo Profundo (DUNE, por sus siglas en ingl¨¦s), un acelerador con detectores de haces de estas part¨ªculas fantasma que recorren 1.300 kil¨®metros por el subsuelo de Estados Unidos. El investigador espa?ol ha aplicado sus conocimientos inform¨¢ticos para desarrollar un algoritmo que identifica el sabor del neutrino despu¨¦s de ese largo viaje. Ser¨ªa como un sistema de reconocimiento facial que comprueba que quien ha llegado a una frontera es el mismo que sali¨® de otro pa¨ªs a partir de la imagen del pasaporte y de qu¨¦ manera le ha afectado el trayecto.

¡°Mi labor¡±, detalla Alonso Monsalve, ¡°ha sido recoger las im¨¢genes de los detectores y aplicar algoritmos de inteligencia artificial para entender qu¨¦ est¨¢ pasando. Incluso un experto no puede mirar esas im¨¢genes y concluir al 100% que es un neutrino electr¨®nico o mu¨®nico o tau¨®nico. Los algoritmos de inteligencia artificial identifican al neutrino y reconstruyen en tres dimensiones las part¨ªculas a partir de las proyecciones en dos dimensiones que ven los detectores. Adem¨¢s, discriminan el ruido, porque lo que se recoge no es exactamente lo que ha pasado¡±.

El trabajo galardonado de Pablo Morales ?lvarez tambi¨¦n tiene que ver con el universo, en concreto con las ondas gravitacionales. Estas son ondulaciones surgidas de eventos muy violentos, como la fusi¨®n de dos agujeros negros o una supernova, que viajan a la velocidad de la luz y alteran el espacio-tiempo, un efecto que describi¨® Albert Einstein, pero que no se pudo demostrar hasta la detecci¨®n de la GW150914 en septiembre de 2015, aunque se anunci¨® seis meses despu¨¦s.

Estas ondulaciones, como las que se producen en la piel de un instrumento de percusi¨®n, distorsionan f¨ªsicamente todo a su paso, pero el rastro que llega a la Tierra es pr¨¢cticamente indetectable.

Morales ?lvarez ha colaborado con el proyecto estadounidense LIGO para la detecci¨®n de ondas gravitacionales, un experimento que identifica las alteraciones de millon¨¦simas de mil¨ªmetro en una estructura met¨¢lica causadas por la ondulaci¨®n c¨®smica. ¡°Es como si se hubiera ganado un nuevo sentido¡±, explica. En este sentido, el investigador precisa que las ondas gravitacionales no son como las sonoras, que no se propagan en el vac¨ªo, o las electromagn¨¦ticas. ¡°Tienen otra naturaleza nueva, de ah¨ª su inter¨¦s¡±, comenta.

¡°Ahora se quiere automatizar y acelerar el proceso de detecci¨®n de ondas gravitacionales¡±, a?ade. ¡°Estas dejan una impronta y mi trabajo ha sido crear un algoritmo que automatice el proceso de discriminar qu¨¦ es una onda gravitacional y qu¨¦ no. Lo podr¨ªa hacer un experto, pero el flujo de datos que se genera es tan inmenso que no puedes tener a un f¨ªsico leyendo toda esa informaci¨®n para identificar una onda¡±.

Como el algoritmo no aprende solo y se nutre de informaci¨®n que aporta un grupo de voluntarios adiestrados, el trabajo inform¨¢tico de Morales ha hecho que la computaci¨®n, adem¨¢s de identificar las ondas, tambi¨¦n aprenda a identificar que fuente de informaci¨®n, qu¨¦ etiquetador, es m¨¢s fiable por los errores detectados previamente en otras observaciones.

La labor de ambos es fundamental para la observaci¨®n del universo. Pero tambi¨¦n lo ha terminado siendo para aplicaciones m¨¢s cercanas. Alonso Monsalve ha utilizado sus conocimientos en identificaci¨®n de neutrinos para desarrollar un algoritmo capaz de se?alar un c¨¢ncer de h¨ªgado en milisegundos a partir del an¨¢lisis de im¨¢genes radiol¨®gicas de los pacientes. La ventaja de su sistema es que convierte im¨¢genes de dos dimensiones en recreaciones tridimensionales, haciendo mucho m¨¢s preciso y completo el an¨¢lisis.

Su patr¨®n ha sido elaborado a partir de la informaci¨®n de expertos de todo el mundo sobre 300 im¨¢genes que ha permitido ense?ar a la inteligencia artificial a identificar y localizar el tumor. ¡°Los resultados no sustituyen el diagn¨®stico de un experto, pero le ayudan y le orientan en cuesti¨®n de milisegundos¡±, destaca.

Del mismo modo, Morales ?lvarez lleva dos a?os aplicando sus experiencias en detecci¨®n de ondas gravitacionales para identificar tumores a partir de im¨¢genes microsc¨®picas obtenidas de las biopsias. ¡°Es tambi¨¦n un sistema de ayuda al diagn¨®stico que se?ala al pat¨®logo si hay patrones compatibles con un c¨¢ncer y d¨®nde¡±, explica.

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