Revolutionerande 'DNA Tracking Chamber' kunde upptäcka mörk materia

Den kanske största och mest omtvistade rasen inom modern vetenskap är sökandet efter mörk materia.

Fysiker kan inte se det här, därav namnet. Men de sluter sig till dess existens eftersom de kan se dess gravitationsinflytande på strukturen hos galaxer och galaxhopar. Det innebär att universum är fyllt av mörk materia, mycket mer av den än den synliga materia vi kan se

Om de har rätt måste mörk materia fylla vår galax och vårt solsystem. Just i detta ögonblick borde vi plöja oss igenom ett tätt hav av mörk materia när solen rör sig mot konstellationen Cygnus när den kretsar runt det galaktiska centrumet.

Det är därför olika grupper tävlar om att upptäcka det här med hjälp av dyra detektorer i djupa underjordiska grottor, som skyddar dem från strålning som annars skulle översvämma signalen.

Dessa experiment letar efter den unika signatur som mörk materia tros producera som ett resultat av jordens passage runt solen. Under ena halvan av året bildar den mörka materian motvind när jorden plöjer sig in i den; för andra halvan av året bildar det medvind.

Faktum är att ett par grupper påstår sig ha hittat exakt denna dygnssignatur, även om resultaten är mycket kontroversiella och verkar vara i direkt konflikt med andra grupper som säger att de inte har sett den.

Det finns ett enkelt sätt att göra bättre observationer som borde lösa denna gåta. Den mörka materiens signal bör variera, inte bara under loppet av ett år, utan under hela dagen när jorden roterar.

Motvinden av mörk materia bör komma från Cygnus riktning, så en lämplig detektor bör se riktningsändringen när jorden roterar varje dag.

Det finns dock ett problem: ingen har byggt en riktad mörkmateriedetektor.

Det är därför en revolutionerande ny idé från ett osannolikt samarbete mellan fysiker och biologer ser ganska spännande ut. Gruppen sammanför olika människor, som Katherine Freese vid University of Michigan i Ann Arbor, en astrofysiker och en av de ledande tänkarna inom området mörk materia, och George Church vid Harvard University i Cambridge, en genetiker och en pionjär inom området. området för genomsekvensering.

Dessa killar säger att de kan övervinna problemen med konventionell mörk materiadetektering genom att använda DNA för att upptäcka mörk materia partiklar.

Deras detektor är minst sagt okonventionell. Dess grundläggande detekteringsenhet består av ett tunt guldark med många strängar av enkelsträngat DNA hängande från det, som pärlgardiner eller en hängande skog. Varje DNA-sträng är identisk förutom en etikett i den fritt hängande änden, som identifierar var på guldarket den sitter.

Tanken är att en partikel av mörk materia krossar in i en tung guldkärna i arket och skickar den ut ur guldfolien och genom DNA-skogen. Guldkärnan skär sedan av DNA-strängar när den färdas och skär en bit genom skogen.

Dessa trådar faller på en uppsamlingsbricka nedanför, som tas bort varje timme eller så. Segmenten kan sedan kopieras många gånger med hjälp av en polymeraskedjereaktion och därigenom förstärka signalen en miljard gånger om.

Eftersom sekvensen och platsen för varje sträng är känd är det enkelt att räkna ut var den skars, vilket gör att guldpartikelns passage kan rekonstrueras med nanometerprecision.

Hela detektorn består av hundratals eller tusentals av dessa ark inklämda mellan mylarark, som sidor i en bok. Totalt skulle en detektor i storleken av en tekista kräva ungefär ett kilo guld och ungefär 100 gram enkelsträngat DNA.

Fördelen med denna design är mångfaldig. Först bestämmer DNA-sekvensen den vertikala positionen för snittet till storleken på en nukleotid. Den typen av nanometerupplösning är många storleksordningar bättre än vad som är möjligt idag.

För det andra fungerar denna detektor vid rumstemperatur, till skillnad från andra konstruktioner som måste kylas för att mäta energin som kollisioner med mörk materia producerar.

Och slutligen, mylararken gör detektorn riktad. Varje ark bör absorbera guldkärnan av denna energi efter att den har passerat genom DNA-skogen. Alla kärnor med högre energi, från till exempel bakgrundsstrålning eller kosmisk strålning, bör passera genom flera 'sidor', vilket gör att de kan upptäckas och uteslutas.

Med enheten vänd i en riktning träffar en partikel av mörk materia en guldkärna och driver den in i DNA-skogen. Men i den andra drivs guldkärnan in i mylarplåt där den absorberas. Det är det som gör den riktad – detektorn ska bara registrera händelser som kommer från en riktning.

Detta bör göra det möjligt för enheten att upptäcka förändringen i signalen för mörk materia varje dag, vilket i sin tur borde göra upptäckten mycket mindre statistiskt krävande.

Det är en fascinerande idé som sannolikt kommer att generera stort intresse. Det är dock inte utan några egna utmaningar.

För det första vet ingen riktigt hur snabbt rörliga, högjoniserade guldkärnor kommer att interagera med enskilda DNA-strängar eller faktiskt med skogar av dem. Detta är något teamet planerar att studera i detalj innan en detektor kan byggas.

Sedan finns det utmaningen att göra DNA-strängar som är tillräckligt långa för att ge en rimlig 'skog' för guldkärnor att passera. Church, Freese och co säger att de skulle vilja ha trådar bestående av 10 000 baser för att skapa en skog som helt absorberar energin från en guldkärna som passerar genom den.

Däremot erbjuder off-the-shelf-arrayer DNA-strängar med endast 250 baser eller så. Dessa killar säger att de förmodligen kommer att behöva nöja sig med trådar på cirka 1000 baser.

DNA-strängarna måste också hänga rakt ner, snarare än ihoprullade. Det är en hög order över en yta på en kvadratmeter eller så som detektorn kommer att täcka. I denna skala övertrumfar elektriska och magnetiska fält gravitationen och dessa kommer sannolikt att vara en olägenhet, särskilt när det gäller att samla in det avskurna DNA:t.

Så teamet måste ta fram någon slags DNA-kam som rätar ut håret. En idé är att fästa en liten magnet på den fria änden av varje tråd, så att den kan dras nedåt.

DNA-strängarna måste också tillverkas av kol-12 och 13, eftersom kol-14 är naturligt radioaktivt och annars skulle producera ett oönskat brus av bakgrundsljud. Att bara använda mycket gammalt kol, där allt kol-14 har sönderfallit, borde göra susen.

Slutligen finns det den betydande tekniska utmaningen i att göra meter kvadratiska DNA-arrayer, samla in brickor som fångar upp de avskurna DNA-strängarna och passa in dem helt och hållet i en fungerande detektor.

Det finns mer än ett fåtal okända i detta tillvägagångssätt, vilket gör det hög risk. Men det finns också en hög potentiell lönsamhet eftersom andra konstruktioner för riktade mörk materiedetektorer är enorma, komplexa och potentiellt mycket dyrare att bygga och köra. Det gör detta tillvägagångssätt spännande.

Upptäckarna av mörk materia är en sko-in för ett Nobelpris. Med tanke på dessa insatser kan vi se några investeringar i denna idé förr snarare än senare.

Men det finns också skäl att vara försiktig. En liten men högljudd minoritet av fysiker säger att mörk materia inte existerar, att andra idéer bättre förklarar galaxernas struktur.

Om de har rätt kommer vi en dag att se tillbaka på dessa ansträngningar på samma sätt som vi tänker på sökandet efter flogiston eller debatten om den spontana uppkomsten av lägre livsformer: som en milt sett underhållande återvändsgränd av 2000-talets fysik .

Ref: arxiv.org/abs/1206.6809 : Nya mörka materiadetektorer som använder DNA för nanometerspårning

Dölj