211service.com
Revolutionaire 'DNA-volgkamer' kan donkere materie detecteren
Misschien wel het grootste en meest fel bevochten ras in de moderne wetenschap is de zoektocht naar donkere materie.
Natuurkundigen kunnen dit spul niet zien, vandaar de naam. Ze leiden het bestaan ervan echter af omdat ze de invloed van de zwaartekracht op de structuur van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels kunnen zien. Het houdt in dat het universum gevuld is met donkere materie, veel meer dan de zichtbare materie die we kunnen zien
Als ze gelijk hebben, moet donkere materie onze melkweg en ons zonnestelsel vullen. Op dit moment zouden we ons een weg moeten banen door een dichte zee van donkere materie terwijl de zon naar het sterrenbeeld Cygnus beweegt terwijl het om het galactische centrum draait.
Daarom racen verschillende groepen om dit spul te detecteren met behulp van dure detectoren in diepe ondergrondse grotten, die hen beschermen tegen straling die anders het signaal zou overspoelen.
Deze experimenten zijn op zoek naar de unieke signatuur die donkere materie zou produceren als gevolg van de passage van de aarde rond de zon. Gedurende de helft van het jaar vormt de donkere materie tegenwind als de aarde erin ploegt; voor de andere helft van het jaar vormt het een rugwind.
Een paar groepen beweren inderdaad precies deze dagelijkse signatuur te hebben gevonden, hoewel de resultaten zeer controversieel zijn en in direct conflict lijken te staan met andere groepen die zeggen dat ze het niet hebben gezien.
Er is een eenvoudige manier om betere waarnemingen te doen die dit raadsel zouden moeten oplossen. Het signaal van donkere materie moet variëren, niet alleen in de loop van een jaar, maar gedurende de dag terwijl de aarde draait.
De tegenwind van de donkere materie zou uit de richting van Cygnus moeten komen, dus een geschikte detector zou de richtingsverandering moeten zien terwijl de aarde elke dag draait.
Er is echter een probleem: niemand heeft een directionele detector voor donkere materie gebouwd.
Daarom ziet een revolutionair nieuw idee uit een onwaarschijnlijke samenwerking van natuurkundigen en biologen er nogal spannend uit. De groep brengt verschillende mensen samen, zoals Katherine Freese van de Universiteit van Michigan in Ann Arbor, een astrofysicus en een van de toonaangevende denkers op het gebied van donkere materie, en George Church van de Harvard University in Cambridge, een geneticus en een pionier in het gebied van genoomsequencing.
Deze jongens zeggen dat ze de problemen met conventionele detectie van donkere materie kunnen overwinnen door DNA te gebruiken om donkere materiedeeltjes op te sporen.
Hun detector is op zijn zachtst gezegd onconventioneel. De basisdetectie-eenheid bestaat uit een dunne gouden plaat waaraan vele strengen enkelstrengs DNA hangen, zoals kralengordijnen of een hangend bos. Elke DNA-streng is identiek, behalve een label aan het vrijhangende uiteinde, dat aangeeft waar het op het gouden vel zit.
Het idee is dat een donkere-materiedeeltje inslaat in een zware gouden kern in het blad, waardoor het uit de bladgoud en door het DNA-bos wordt geschoten. De gouden kern scheidt vervolgens de DNA-strengen terwijl deze reist en snijdt een strook door het bos.
Deze strengen vallen op een opvangbak eronder, die om het uur wordt verwijderd. De segmenten kunnen vervolgens vele malen worden gekopieerd met behulp van een polymerasekettingreactie, waardoor het signaal een miljard keer wordt versterkt.
Omdat de volgorde en locatie van elke streng bekend is, is het eenvoudig om uit te zoeken waar deze is doorgesneden, waardoor de doorgang van het gouddeeltje met nanometerprecisie kan worden gereconstrueerd.
De hele detector bestaat uit honderden of duizenden van deze vellen, ingeklemd tussen mylar-vellen, zoals pagina's in een boek. In totaal zou een detector ter grootte van een theekist ongeveer een kilo goud en ongeveer 100 gram enkelstrengs DNA nodig hebben.
Het voordeel van dit ontwerp is veelzijdig. Ten eerste bepaalt de DNA-sequentie de verticale positie van de snede tot binnen de grootte van een nucleotide. Dat soort nanometerresolutie is vele ordes van grootte beter dan tegenwoordig mogelijk is.
Ten tweede werkt deze detector bij kamertemperatuur, in tegenstelling tot andere ontwerpen die moeten worden gekoeld om de energie te meten die botsingen met donkere materie produceren.
En tot slot maken de mylar-vellen de detector directioneel. Elk vel zou de gouden kern van deze energie moeten absorberen nadat het door het DNA-bos is gegaan. Alle kernen met hogere energie, bijvoorbeeld van achtergrondstraling of kosmische straling, moeten meerdere 'pagina's' passeren, waardoor ze kunnen worden opgemerkt en uitgesloten.
Met het apparaat in één richting gericht, raakt een deeltje van donkere materie een gouden kern en wordt het het DNA-bos in gestuwd. Maar in de andere wordt de gouden kern voortgestuwd in mylar-plaat waar het wordt geabsorbeerd. Dat is wat het directioneel maakt: de detector mag alleen gebeurtenissen registreren die uit één richting komen.
Dit zou het apparaat in staat moeten stellen om elke dag de verandering in het signaal van donkere materie te detecteren, wat op zijn beurt de detectie veel minder statistisch veeleisend zou moeten maken.
Dat is een fascinerend idee dat waarschijnlijk veel belangstelling zal wekken. Het is echter niet zonder een aantal eigen uitdagingen.
Ten eerste weet niemand echt hoe snel bewegende, sterk geïoniseerde goudkernen zullen interageren met enkele DNA-strengen of zelfs met bossen ervan. Dit is iets wat het team van plan is om in enig detail te bestuderen voordat een detector kan worden gebouwd.
Dan is er de uitdaging om DNA-strengen te maken die lang genoeg zijn om een redelijk ‘bos’ te vormen waar goudkernen doorheen kunnen. Church, Freese en co zeggen dat ze strengen willen die uit 10.000 basen bestaan om een bos te creëren dat de energie van een gouden kern die er doorheen gaat volledig absorbeert.
Daarentegen bieden kant-en-klare arrays DNA-strengen met slechts 250 basen of zo. Deze jongens zeggen dat ze waarschijnlijk genoegen zullen moeten nemen met strengen van ongeveer 1000 basen.
De DNA-strengen moeten ook recht naar beneden hangen, in plaats van opgerold. Dat is een hele opgave over de oppervlakte van ongeveer een vierkante meter die de detector zal bestrijken. Op deze schaal overtroeven elektrische en magnetische velden de zwaartekracht en deze zullen waarschijnlijk hinderlijk zijn, vooral als het gaat om het verzamelen van het afgehakte DNA.
Het team zal dus een soort DNA-'kam' moeten bedenken die het haar recht maakt. Een idee is om een kleine magneet aan het vrije uiteinde van elke streng te bevestigen, zodat deze naar beneden kan worden getrokken.
De DNA-strengen zullen ook gemaakt moeten zijn van koolstof-12 en 13, aangezien koolstof-14 van nature radioactief is en anders een ongewenst gesis van achtergrondgeluid zou produceren. Het zou voldoende moeten zijn om alleen heel oude koolstof te gebruiken, waarin alle koolstof-14 is vergaan.
Ten slotte is er de grote technische uitdaging om DNA-arrays van vierkante meters te maken, trays te verzamelen die de afgehakte DNA-strengen opvangen en ze samen in een werkende detector te passen.
Er zijn meer dan een paar onbekenden in deze benadering, waardoor het een hoog risico is. Maar er is ook een groot potentieel, omdat andere ontwerpen voor directionele detectoren voor donkere materie enorm, complex en potentieel veel duurder zijn om te bouwen en te gebruiken. Dat maakt deze aanpak spannend.
De ontdekkers van donkere materie zijn kanshebbers voor een Nobelprijs. Gezien deze belangen zouden we eerder vroeger dan later in dit idee kunnen investeren.
Maar er zijn ook redenen om voorzichtig te zijn. Een kleine maar luidruchtige minderheid van natuurkundigen zegt dat donkere materie niet bestaat, dat andere ideeën de structuur van sterrenstelsels beter verklaren.
Als ze gelijk hebben, zullen we ooit op deze inspanningen terugkijken op dezelfde manier als we denken over de zoektocht naar flogiston of het debat over de spontane opkomst van lagere levensvormen: als een licht vermakelijke doodlopende weg van de 21e-eeuwse natuurkunde .
Referentie: arxiv.org/abs/1206.6809 : Nieuwe donkere materie-detectoren die DNA gebruiken voor het volgen van nanometers