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Revolutionäre „DNA-Tracking-Kammer“ könnte dunkle Materie erkennen
Die vielleicht größte und am härtesten umkämpfte Rasse in der modernen Wissenschaft ist die Suche nach dunkler Materie.
Physiker können dieses Zeug nicht sehen, daher der Name. Sie schließen jedoch seine Existenz, weil sie seinen gravitativen Einfluss auf die Struktur von Galaxien und Galaxienhaufen sehen können. Es impliziert, dass das Universum mit dunkler Materie gefüllt ist, viel mehr davon als die sichtbare Materie, die wir sehen können
Wenn sie richtig liegen, muss dunkle Materie unsere Galaxie und unser Sonnensystem füllen. In diesem Moment sollten wir unseren Weg durch ein dichtes Meer dunkler Materie pflügen, während sich die Sonne auf das Sternbild Cygnus zubewegt, während sie das galaktische Zentrum umkreist.
Aus diesem Grund versuchen verschiedene Gruppen, dieses Zeug mit teuren Detektoren in tiefen unterirdischen Höhlen aufzuspüren, die sie vor Strahlung schützen, die sonst das Signal überschwemmen würde.
Diese Experimente suchen nach der einzigartigen Signatur, die dunkle Materie vermutlich als Ergebnis des Umlaufs der Erde um die Sonne erzeugt. Während der einen Hälfte des Jahres bildet die Dunkle Materie Gegenwind, wenn die Erde in sie hineinpflügt; für die andere Jahreshälfte bildet er Rückenwind.
Tatsächlich behaupten einige Gruppen, genau diese Tagessignatur gefunden zu haben, obwohl die Ergebnisse sehr umstritten sind und in direktem Widerspruch zu anderen Gruppen zu stehen scheinen, die angeben, sie nicht gesehen zu haben.
Es gibt einen einfachen Weg, bessere Beobachtungen zu machen, die dieses Rätsel lösen sollten. Das Signal der Dunklen Materie sollte sich nicht nur im Laufe eines Jahres ändern, sondern im Laufe des Tages, während sich die Erde dreht.
Der Gegenwind der Dunklen Materie sollte aus der Richtung von Cygnus kommen, daher sollte ein geeigneter Detektor die Richtungsänderung sehen, wenn sich die Erde jeden Tag dreht.
Es gibt jedoch ein Problem: Niemand hat einen gerichteten Detektor für dunkle Materie gebaut.
Deshalb sieht eine revolutionäre neue Idee aus einer unwahrscheinlichen Zusammenarbeit von Physikern und Biologen ziemlich spannend aus. Die Gruppe bringt unterschiedliche Menschen zusammen, wie Katherine Freese von der University of Michigan in Ann Arbor, eine Astrophysikerin und eine der führenden Denkerinnen auf dem Gebiet der Dunklen Materie, und George Church von der Harvard University in Cambridge, eine Genetikerin und Pionierin in Bereich der Genomsequenzierung.
Diese Jungs sagen, dass sie die Probleme mit der herkömmlichen Detektion dunkler Materie überwinden können, indem sie DNA verwenden, um Teilchen der dunklen Materie zu erkennen.
Ihr Detektor ist gelinde gesagt unkonventionell. Seine grundlegende Erkennungseinheit besteht aus einem dünnen Goldblech, an dem viele Stränge einzelsträngiger DNA hängen, wie Perlenvorhänge oder ein hängender Wald. Jeder DNA-Strang ist bis auf eine Markierung am frei hängenden Ende identisch, die identifiziert, wo auf dem Goldblatt er sitzt.
Die Idee ist, dass ein Teilchen der Dunklen Materie in einen schweren Goldkern im Blatt einschlägt und es aus der Goldfolie und durch den DNA-Wald schleudert. Der Goldkern durchtrennt dann auf seiner Reise DNA-Stränge und schneidet eine Schneise durch den Wald.
Diese Stränge fallen auf eine darunter liegende Auffangwanne, die etwa stündlich entnommen wird. Die Segmente können dann mittels einer Polymerase-Kettenreaktion mehrfach kopiert werden, wodurch das Signal milliardenfach verstärkt wird.
Da die Reihenfolge und Lage der einzelnen Stränge bekannt sind, lässt sich leicht herausfinden, wo sie geschnitten wurden, wodurch der Durchgang des Goldpartikels nanometergenau rekonstruiert werden kann.
Der gesamte Detektor besteht aus Hunderten oder Tausenden dieser Blätter, die zwischen Mylar-Blättern eingeklemmt sind, wie Seiten in einem Buch. Insgesamt würde ein Detektor von der Größe einer Teekiste etwa ein Kilogramm Gold und etwa 100 Gramm einzelsträngige DNA benötigen.
Der Vorteil dieser Konstruktion ist vielfältig. Zunächst bestimmt die DNA-Sequenz die vertikale Position des Schnitts bis auf die Größe eines Nukleotids. Diese Art von Nanometer-Auflösung ist um viele Größenordnungen besser als heute möglich.
Zweitens arbeitet dieser Detektor bei Raumtemperatur, im Gegensatz zu anderen Designs, die gekühlt werden müssen, um die Energie zu messen, die Kollisionen mit dunkler Materie erzeugen.
Und schließlich machen die Mylarfolien den Detektor richtungsgebunden. Jedes Blatt sollte den Goldkern dieser Energie absorbieren, nachdem es den DNA-Wald passiert hat. Alle Kerne mit höherer Energie, beispielsweise von Hintergrundstrahlung oder kosmischer Strahlung, sollten mehrere „Seiten“ durchlaufen, damit sie entdeckt und ausgeschlossen werden können.
Wenn das Gerät in eine Richtung zeigt, trifft ein Teilchen der dunklen Materie auf einen Goldkern und schleudert ihn in den DNA-Wald. Bei der anderen wird der Goldkern jedoch in die Mylarschicht getrieben, wo er absorbiert wird. Das macht ihn direktional – der Detektor sollte nur Ereignisse aufzeichnen, die aus einer Richtung kommen.
Dies sollte es dem Gerät ermöglichen, die Änderung des Signals der dunklen Materie jeden Tag zu erkennen, was wiederum die Detektion statistisch viel weniger anspruchsvoll machen sollte.
Das ist eine faszinierende Idee, die wahrscheinlich viel Interesse wecken wird. Es ist jedoch nicht ohne einige Herausforderungen.
Erstens weiß niemand wirklich, wie sich schnell bewegende, hochionisierte Goldkerne mit einzelnen DNA-Strängen oder sogar mit Wäldern davon interagieren. Dies ist etwas, das das Team im Detail untersuchen möchte, bevor ein Detektor gebaut werden kann.
Dann besteht die Herausforderung darin, DNA-Stränge herzustellen, die lang genug sind, um einen vernünftigen „Wald“ für den Durchgang von Goldkernen zu bieten. Church, Freese und Co. möchten, dass Stränge aus 10.000 Basen einen Wald schaffen, der die Energie eines durch ihn hindurchgehenden Goldkerns vollständig absorbiert.
Im Gegensatz dazu bieten handelsübliche Arrays DNA-Stränge mit nur etwa 250 Basen an. Diese Jungs sagen, dass sie sich wahrscheinlich mit Strängen von etwa 1000 Basen zufrieden geben müssen.
Die DNA-Stränge müssen auch gerade nach unten hängen, anstatt sich zusammenzurollen. Das ist eine große Aufgabe für die Fläche von einem Quadratmeter oder so, dass der Detektor abdecken wird. Bei dieser Größenordnung überwiegen elektrische und magnetische Felder die Schwerkraft, und diese sind wahrscheinlich ein Ärgernis, insbesondere wenn es darum geht, die abgetrennte DNA zu sammeln.
Das Team muss also eine Art DNA-Kamm entwickeln, der das Haar glättet. Eine Idee ist, am freien Ende jedes Strangs einen winzigen Magneten anzubringen, damit er nach unten gezogen werden kann.
Die DNA-Stränge müssen auch aus Kohlenstoff-12 und 13 bestehen, da Kohlenstoff-14 von Natur aus radioaktiv ist und sonst ein unerwünschtes Hintergrundrauschen erzeugen würde. Es sollte ausreichen, nur sehr alten Kohlenstoff zu verwenden, in dem das gesamte Kohlenstoff-14 zerfallen ist.
Schließlich besteht die erhebliche technische Herausforderung bei der Herstellung von Quadratmeter großen DNA-Arrays, Sammelbehältern, die die abgetrennten DNA-Stränge auffangen und sie zusammen in einen funktionierenden Detektor einzupassen.
Es gibt mehr als ein paar Unbekannte bei diesem Ansatz, was ihn zu einem hohen Risiko macht. Aber es gibt auch ein hohes Potenzial, sich auszuzahlen, da andere Designs für gerichtete Detektoren für dunkle Materie riesig, komplex und möglicherweise erheblich teurer in Bau und Betrieb sind. Das macht diesen Ansatz spannend.
Die Entdecker der Dunklen Materie sind ein Nobelpreisträger. Angesichts dieser Beteiligungen könnten wir eher früher als später in diese Idee investieren.
Aber es gibt auch Gründe zur Vorsicht. Eine kleine, aber lautstarke Minderheit von Physikern sagt, dass es keine Dunkle Materie gibt, dass andere Ideen die Struktur von Galaxien besser erklären.
Wenn sie Recht haben, werden wir eines Tages auf diese Bemühungen genauso zurückblicken wie auf die Suche nach Phlogiston oder die Debatte um das spontane Auftauchen niederer Lebensformen: als leicht amüsante Sackgasse der Physik des 21. Jahrhunderts .
Ref: arxiv.org/abs/1206.6809 : Neue Detektoren für dunkle Materie, die DNA für das Nanometer-Tracking verwenden