Publicado en Nature: Biología cuántica y computación cuántica adiabática en la fotosíntesis a temperatura ambiente

La física cuántica parece la parte de la física más alejada de la biología, ya que la coherencia cuántica parece poco importante en macromoléculas bioquímicas. Sin embargo, el estudio de la fotosíntesis en algas indica que su alta eficiencia es debida al uso de la coherencia cuántica. Por primera vez, dicho fenómeno ha sido observado experimentalmente  a temperatura ambiente (antes se había observado por debajo de 77 K). La proteínas fotosintéticas que absorben fotones solares y excitan electrones en moléculas de clorofila actúan como un computador cuántico. Elisabetta Collini et al. han investigado dos tipos de moléculas captadoras de luz solar (antenas) que han excitado usando un par de pulsos láser ultracortos (de 25 fs, femtosegundos) creando una superposición cuántica de sus estados electrónicos excitados, de sus funciones de onda cuánticas. Un tercer pulso láser induce la emisión de un fotón adicional (llamado “eco”) que permite la medida precisa de la evolución del sistema (el método experimental se denomina espectroscopía con fotón-eco en 2D). Las oscilaciones de estos estados excitados observadas corresponden a lo esperado según las simulaciones por ordenador de la mecánica cuántica de este proceso. Más aún, se ha observado que los estados cuánticos coherentes tienen una vida mucho más larga de lo esperado (más de 400 fs). Las algas logran evitar la decoherencia del estado cuántico (que daría una vida media menor de 100 fs) gracias a ciertos enlaces covalentes en las moléculas que actúan como antenas. El problema de optimizar la distribución de la energía solar entre un grupo de moléculas de clorofila evitando los posibles mínimos de energía que degradarían su eficiencia es resuelto en las algas fotosintéticas gracias a un proceso cuántico, una optimización cuántica, que actúa como un ordenador cuántico adiabático. En resumen, un gran artículo que nos indica que los estados cuánticos coherentes en las moléculas fotosintéticas son uno de los grandes responsables de la gran eficiencia energética de la fotosíntesis en algas. Nos lo cuentan Rienk van Grondelle, Vladimir I. Novoderezhkin, “Photosynthesis: Quantum design for a light trap,”News and Views, Nature 463: 614-615, 4 February 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Elisabetta Collini et al., “Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature,” Nature 463, 644-647, 4 February 2010.

Los interesados en más información pueden recurrir a Brandon Keim, “Everywhere in a Flash: The Quantum Physics of Photosynthesis,” Wired Science, February 2, 2010; “Scientists find quantum mechanics at work in photosynthesis,” PhysOrg.com, February 3, 2010; Laura Sanders, “Algae use quantum trick to harvest light. Study detects predicted wavelike properties during photosynthesis,” ScienceNews, February 3, 2010; y “Quantum Mechanics at Work in Photosynthesis: Algae Familiar With These Processes for Nearly Two Billion Years,” ScienceDaily, Feb. 3, 2010.

Publicado en Nature: Descanse en paz el vehículo robótico marciano Spirit

El vehículo robótico Spirit fue diseñado para una misión de 90 días marcianos. Llegó a suelo marciano en enero de 2004. En 90 días marcianos logró recorrer unos 600 metros. En octubre de 2006 ya había logrado superar los 1000 días marcianos y logró superar su propio “efecto 2000” gracias al apoyo de los técnicos en Tierra. En enero de 2009, Spirit empezó a sufrir su propio “Alzheimer” y los técnicos encontraron problemas para entender los datos que enviaba. En abril de 2009, un Spirit “enfermo” decidió autoprovocarse dos reboot (“apaga y enciende”) consecutivos. En un lugar llamado Troya, Spirit quedó atrapado en la arena, con una rueda rota, incapaz de escapar de su “cárcel.” Con una réplica en la Tierra se estudió la situación y se descubrió cómo podría escapar. En noviembre de 2009, Spirit logró ascender unos centímetros, pero se le rompió otra rueda. Finalmente, el 26 de enero de 2010, tras haber recorrido 7.730 metros, se decidió dejarlo allí para siempre. Desde su “tumba” seguirá enviando señales de radio de sus observaciones sobre la atmósfera y la rotación de Marte. Mientras, su “hermano,” el vehículo Opportunity, sigue “vivo y coleando” dirigiéndose hasta el cráter Concepción. Nos lo cuenta Katharine Sanderson, “Mars rover Spirit (2003–10). NASA commits robot explorer to her final resting place,” Nature 463: 600, Feb. 4, 2010.

Hacia una máquina que fabrique un sol en la Tierra

Permitidme un par de vídeos sobre el National Ignition Facility (NIF) en los Lawrence Livermore National Laboratories, en el norte de California. Un reactor de fusión por confinamiento inercial cuya ignición es provocada por 192 láseres de alta potencia. El primer vídeo es del programa Horizon de la BBC y el segundo del propio NIF del LLNL.

Los neutrinos estériles, la desintegración de neutrinos y los nuevos resultados de MINOS

¿Existen los neutrinos estériles? No, según el experimento MINOS que estudia un haz de neutrinos muónicos producido en el Fermilab tras recorrer 735 km. de distancia hasta una mina en el norte de Minnesota. El experimento es capaz de detectar el número total de neutrinos, así como el número de neutrinos electrónicos y muónicos. El experimento presenta evidencia de que los neutrinos no se desintegran (en fotones) ni oscilan (cambian de identidad) en neutrinos estériles. En física nunca se puede decir nunca jamás, pero la evidencia observada en 1995, en el experimento LSND en Los Álamos, que llevó a la propuesta de un cuarto neutrino “estéril”, que no interactúa a través de la fuerza electrodébil, confirmada por dicho expeirmento en 2001, se diluye conforme pasan los años y otros experimentos van obteniendo resultados en su contra, como MiniBooNE, INTEGRAL y ahora MINOS. Nos lo cuentan en Calla Cofield, “New MINOS results “strongly disfavor” sterile neutrino, neutrino decay,” February 2, 2010, haciéndose eco de un artículo enviado a Physical Review D y disponible como preprint, The MINOS Collaboration, “Search for sterile neutrino mixing in the MINOS long baseline experiment,” ArXiv, 2 Jan 2010.

El experimento MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) estudia la oscilación de los neutrinos (su cambio de identidad conforme se propagan) debida a que tienen una masa en reposo no nula. El modelo estándar predice sólo tres familias de neutrinos (ratificado por el LEP2 del CERN), sin embargo, varios modelos de física más allá del modelo estándar, como ciertas teorías de gran unificación y la teoría de cuerdas, predicen la existencia de al menos una cuarta familia de neutrinos, llamados estériles porque no sufre la fuerza electrodébil, ni la fuerza fuerte, sólo la gravedad. Estas teorías predicen que los 3 neutrinos convencionales podrían oscilar (cambiar de identidad) en un neutrino estéril. ¿Por qué los físicos buscan con tesón los neutrinos estériles? Porque el experimento LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) encontró un déficit de neutrinos que no apuntaba a la oscilación de neutrinos sino a la existencia de neutrinos estériles o a la desintegración de neutrinos. De hecho, el experimento MINOS también ha estudiado la posible desintegración de los neutrinos muónicos generados en el Fermilb y ha encontrado que los datos experimentales se explican mejor cuando estos neutrinos oscilan pero no se desintegran (decaen).

Hoy se publica oficialmente la noticia sobre la planificación del LHC del CERN para este año (News at CERN). Seguramente ya lo sabréis todos, se decidió que a finales de este mes se pondrá en marcha el LHC y durante los próximos dos años (2010 y 2011) funcionará a media máquina, con una energía por haz de protones de sólo 3,5 TeV (la mitad de los 7 TeV para los que fue diseñado). El 5 de febrero será el workshop en el CERN que explicará en detalle esta decisión tomada el 29 de energo. El LHC funcionará a esta energía intermedia hasta que se alcancen el inverso de un femtobar de datos o hasta que llegue diciembre de 2011, lo primero que ocurra (si no hay nuevos problemas, se podría alcanzar 1 fb-1 alrededor de octubre de 2011, difícilmente antes). Aunque el año pasado se dijo que de 3,5 TeV en pruebas se pasaría a tomar datos a 5 TeV y finalmente a 7 TeV, por razones de seguridad la nueva planificación a preferido obviar pasar por 5 TeV y tomar datos de colisiones durante un par de años a sólo 3,5 TeV por haz, para luego, tras un año (al menos 11 meses) de preparación posterior, dar el salto definitivo a las 7 TeV. Casi seguro en diciembre de 2012 el LHC del CERN no habrá colisiones en el LHC del CERN.  ¿Qué se puede esperar de estos 2 años de pruebas y toma de datos de colisiones? Probablemente poco. Con una energía en las colisiones sólo 3,5 veces más alta que la del Tevatrón del Fermilab y sólo dos años tomando datos será muy difícil que se observe algo nuevo. Para los interesados en más detalles recomiendo el estupendo artículo de Adrian Cho, “Europe’s LHC to Run at Half-Energy, Tightening Race for Higgs,” ScienceInsider, February 2, 2010.

El LHC del CERN no tendrá colisiones a 14 TeV en el centro de masa hasta 2013, como pronto. Por cierto, el Tevatrón del Fermilab se espera que funcione hasta diciembre de 2011 (o hasta alcanzar 12 fb-1 en el detector DZero). Todavía no se ha decidido si funcionará durante 2012, lo que permitiría alcanzar solamente 15 fb-1 en DZero y difícilmente permitirá ningún descubrimiento nuevo. El gasto de mantener en funcionamiento el Tevatrón durante un año más (2012) es muy alto y todavía no está claro si está justificado. Habrá que esperar unos meses para conocer la decisión definitiva, aunque todo apunta a que el año 2012 será un año sin Tevatrón y sin LHC.