Rewolucyjna „komora śledząca DNA” może wykrywać ciemną materię

Być może największą i najbardziej zaciekle kontestowaną rasą we współczesnej nauce jest poszukiwanie ciemnej materii.

Fizycy tego nie widzą, stąd nazwa. Wnioskują jednak o jego istnieniu, ponieważ widzą jego grawitacyjny wpływ na strukturę galaktyk i gromady galaktyk. Oznacza to, że wszechświat jest wypełniony ciemną materią, znacznie większą niż widoczna materia, którą możemy zobaczyć

Jeśli mają rację, ciemna materia musi wypełnić naszą galaktykę i Układ Słoneczny. W tej chwili powinniśmy przedzierać się przez gęste morze ciemnej materii, gdy Słońce zbliża się do konstelacji Łabędzia, krążąc wokół centrum galaktyki.

Dlatego różne grupy ścigają się, aby wykryć te rzeczy za pomocą drogich detektorów w głębokich podziemnych jaskiniach, które chronią je przed promieniowaniem, które w przeciwnym razie zagłuszyłoby sygnał.

Eksperymenty te mają na celu poszukiwanie unikalnego podpisu, który, jak się uważa, wytwarza ciemna materia w wyniku przejścia Ziemi wokół Słońca. Przez pół roku ciemna materia tworzy przeciwny wiatr, gdy Ziemia w nią wdziera się; przez drugą połowę roku tworzy wiatr w tył.

Rzeczywiście, kilka grup twierdzi, że znalazło dokładnie ten dzienny podpis, chociaż wyniki są bardzo kontrowersyjne i wydają się być w bezpośrednim konflikcie z innymi grupami, które twierdzą, że go nie widziały.

Istnieje prosty sposób na dokonanie lepszych obserwacji, który powinien rozwiązać tę zagadkę. Sygnał ciemnej materii powinien się zmieniać nie tylko w ciągu roku, ale w ciągu dnia, gdy Ziemia się obraca.

Przeciwny wiatr ciemnej materii powinien pochodzić z kierunku Łabędzia, więc odpowiedni detektor powinien obserwować zmianę kierunku, gdy Ziemia obraca się każdego dnia.

Jest jednak pewien problem: nikt nie zbudował kierunkowego detektora ciemnej materii.

Dlatego nowy, rewolucyjny pomysł z mało prawdopodobnej współpracy fizyków i biologów wygląda dość ekscytująco. Grupa skupia różnych ludzi, takich jak Katherine Freese z Uniwersytetu Michigan w Ann Arbor, astrofizyk i jedna z czołowych myślicieli w dziedzinie ciemnej materii, oraz George Church z Uniwersytetu Harvarda w Cambridge, genetyk i pionier w dziedzinie obszar sekwencjonowania genomu.

Ci faceci twierdzą, że mogą przezwyciężyć problemy z konwencjonalnym wykrywaniem ciemnej materii, używając DNA do wykrywania cząstek ciemnej materii.

Ich wykrywacz jest co najmniej niekonwencjonalny. Jego podstawowa jednostka wykrywająca składa się z cienkiego złotego arkusza, na którym zwisa wiele nici jednoniciowego DNA, jak zasłony z koralików lub wiszący las. Każda nić DNA jest identyczna, z wyjątkiem etykiety na swobodnie wiszącym końcu, która identyfikuje, gdzie na złotym arkuszu się znajduje.

Chodzi o to, że cząsteczka ciemnej materii zderza się z ciężkim złotym jądrem w arkuszu, wysyłając ją ze złotej folii do lasu DNA. Złote jądro następnie przecina pasma DNA podczas podróży, przecinając las.

Pasma te spadają na tackę zbiorczą poniżej, którą usuwa się mniej więcej co godzinę. Segmenty można następnie wielokrotnie kopiować za pomocą reakcji łańcuchowej polimerazy, wzmacniając w ten sposób sygnał miliard razy.

Ponieważ sekwencja i położenie każdej nici są znane, łatwo jest ustalić, gdzie została ona przecięta, co pozwala zrekonstruować przejście cząsteczki złota z dokładnością do nanometrów.

Cały detektor składa się z setek lub tysięcy takich arkuszy umieszczonych między arkuszami mylaru, jak strony w książce. W sumie detektor wielkości skrzynki na herbatę wymagałby około kilograma złota i około 100 gramów jednoniciowego DNA.

Zaletą tego projektu jest wielorakie. Po pierwsze, sekwencja DNA określa pionową pozycję cięcia z dokładnością do nukleotydu. Ten rodzaj rozdzielczości nanometrowej jest o wiele rzędów wielkości lepszy niż jest to możliwe dzisiaj.

Po drugie, ten detektor działa w temperaturze pokojowej, w przeciwieństwie do innych konstrukcji, które muszą być chłodzone, aby zmierzyć energię wytwarzaną przez zderzenia ciemnej materii.

I wreszcie, arkusze mylaru sprawiają, że detektor jest kierunkowy. Każdy arkusz powinien wchłonąć złote jądro tej energii po przejściu przez las DNA. Wszelkie jądra o wyższej energii, pochodzące na przykład z promieniowania tła lub promieniowania kosmicznego, powinny przechodzić przez kilka „stron”, co pozwala na ich dostrzeżenie i wykluczenie.

Gdy urządzenie jest zwrócone w jednym kierunku, cząsteczka ciemnej materii uderza w złote jądro, popychając je do lasu DNA. Ale w drugim, jądro złota jest wpychane do arkusza mylaru, gdzie jest wchłaniane. To właśnie sprawia, że ​​jest kierunkowy – detektor powinien rejestrować tylko zdarzenia nadchodzące z jednego kierunku.

Powinno to umożliwić urządzeniu wykrywanie zmian sygnału ciemnej materii każdego dnia, co z kolei powinno sprawić, że detekcja będzie znacznie mniej wymagająca statystycznie.

To fascynujący pomysł, który prawdopodobnie wywoła duże zainteresowanie. Jednak nie jest pozbawiony własnych wyzwań.

Po pierwsze, nikt tak naprawdę nie wie, jak szybko poruszające się, wysoko zjonizowane jądra złota będą oddziaływać z pojedynczymi nićmi DNA, a nawet z ich lasami. Jest to coś, co zespół planuje szczegółowo zbadać, zanim będzie można zbudować detektor.

Następnie pojawia się wyzwanie stworzenia nici DNA, które są wystarczająco długie, aby stanowić rozsądny „las”, przez który mogą przejść jądra złota. Church, Freese i spółka twierdzą, że chcieliby, aby pasma składające się z 10 000 zasad stworzyły las, który całkowicie pochłania energię przechodzącego przez niego jądra złota.

W przeciwieństwie do tego, gotowe macierze oferują nici DNA zawierające tylko 250 zasad. Ci faceci twierdzą, że prawdopodobnie będą musieli zadowolić się pasmami około 1000 zasad.

Nici DNA również muszą zwisać prosto w dół, a nie zwijać się. To duże zamówienie na powierzchni metra kwadratowego lub tak, że detektor pokryje. W tej skali pola elektryczne i magnetyczne przewyższają grawitację i mogą być uciążliwe, szczególnie jeśli chodzi o zbieranie odciętego DNA.

Dlatego zespół będzie musiał opracować jakiś „grzebień” DNA, który wyprostuje włosy. Jednym z pomysłów jest przymocowanie malutkiego magnesu do wolnego końca każdego pasma, aby można było go pociągnąć w dół.

Nici DNA będą również musiały być wykonane z węgla-12 i 13, ponieważ węgiel-14 jest naturalnie radioaktywny i w przeciwnym razie powodowałby niepożądany szum tła. Użycie tylko bardzo starego węgla, w którym cały węgiel-14 uległ rozkładowi, powinno załatwić sprawę.

Wreszcie, istnieje poważne wyzwanie inżynieryjne polegające na tworzeniu macierzy DNA o powierzchni metra kwadratowego, zbieraniu tacek, które wyłapują odcięte nici DNA i umieszczaniu ich w całości w działającym detektorze.

W tym podejściu jest więcej niż kilka niewiadomych, co sprawia, że ​​jest ono bardzo ryzykowne. Ale istnieje również wysoki potencjał opłacalności, ponieważ inne konstrukcje kierunkowych detektorów ciemnej materii są ogromne, złożone i potencjalnie znacznie droższe w budowie i eksploatacji. To sprawia, że ​​takie podejście jest ekscytujące.

Odkrywcy ciemnej materii mają szansę zdobyć nagrodę Nobla. Biorąc pod uwagę tę stawkę, być może prędzej niż później zobaczymy pewną inwestycję w ten pomysł.

Ale są też powody do ostrożności. Niewielka, ale głośna mniejszość fizyków twierdzi, że ciemna materia nie istnieje, że inne idee lepiej wyjaśniają strukturę galaktyk.

Jeśli mają rację, pewnego dnia spojrzymy wstecz na te wysiłki w ten sam sposób, w jaki myślimy o poszukiwaniu flogistonu lub debacie na temat spontanicznego pojawiania się niższych form życia: jako lekko zabawny ślepy zaułek fizyki XXI wieku .

Nr ref.: arxiv.org/abs/1206.6809 : Nowe detektory ciemnej materii wykorzystujące DNA do śledzenia nanometrycznego

ukryć