Крайне необычный детектор, использующий атомы золота и нити ДНК, возможно, позволит, наконец, обнаружить частицы темной материи.
Золотые ядра и лес из ДНК: Полуживой детектор темной материи
«Лес ДНК», рисунок сетевого художника Джеймса Комминса

Темная материя не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним, а значит принципиально ненаблюдаема обычными методами. При этом во Вселенной ее, по современным представлениям, в несколько раз больше, нежели материи обычной. Ее влияние проявляется на самом высоком уровне: именно темная материя определяет формирование и эволюцию галактик и их скоплений.

Для сегодняшней науки поиски темной материи и ее частиц стали одной из самых захватывающих и трудных задач. До сих пор никому не удалось достоверно ее обнаружить — а между тем она должна быть буквально повсюду, заполняя нашу галактику и Солнечную систему. Наша звезда, вращаясь вокруг центра Млечного пути, прокладывает себе дорогу в густом океане темной материи. Наша планета, вращаясь вокруг Солнца, плывет в этом океане. По существующим теориям, поток темной материи, в котором купается Земля, исходит по направлению от созвездия Лебедь.

Множество ученых пытались и пытаются обнаружить следы присутствия темной материи вокруг нас. Для этого возводятся самые изощренные инструменты, которые нередко помещают в глубокие подземные шахты, где они оказываются изолированы от внешнего излучения, способного вмешаться в работу их чувствительных систем. Подход к задаче достаточно прост: предполагается, что в своем вращении вокруг Солнца Земля одну половину года идет «по течению» темной материи, а в другую — против. Для начала было бы полезно зарегистрировать хотя бы соответствующие регулярные изменения. На сегодня они стали бы первыми ясными доказательствами существования темной материи.

Несколько групп исследователей сообщили о подобных наблюдениях, однако результаты их были встречены со скепсисом. Они кажутся не слишком достоверными, к тому же немало команд с куда большей уверенностью заявили о том, что ничего подобного им заметить не удалось.

Возможно, этот конфликт разрешится с совершенно новым оригинальным подходом, озвученным недавно группой генетиков и астрофизиков из США. Они замечают, что «течение» темной материи должно меняться для нас не только в течение года, но и в течение суток, по мере вращения Земли вокруг своей оси. Осталось найти детектор, способный заметить эти суточные изменения.

Для этой цели предложен действительно революционный подход: использовать ДНК. Одноцепочечные нити ДНК крепятся концами на золотой подложке, формируя целый «лес», вершинами своими упирающийся в полимерную пластину майлара. Нити совершенно одинаковы, за исключением одной метки на свободном конце, которая служит индикатором точного положения данной нити на подложке. Авторы предлагают собрать детектор из сотен тысяч таких пластин, сложенных на манер страниц в книге. Работать он, как предполагается, сможет следующим образом.

Если частица темной материи ударит в ядро атома золота, оно в некоторых случаях будет выбито с места, и иногда начнет двигаться к «вершинам леса» нитей ДНК. Тяжелое ядро в полете действует не хуже пушечного, разрывая некоторые нити и оставляя ничем не закрепленные фрагменты и лишь затем поглощаясь пластиковой пластиной. Фрагменты с определенной регулярностью собираются, умножаются и секвенируются для определения их нуклеотидной последовательности. Таким образом можно установить, из какого именно участка был выбит фрагмент, и в каком именно месте он оказался разорван, восстановив траекторию полета золотого ядра с точностью до нанометра.

Важным преимуществом подобной системы будет не только высочайшее разрешение, но и просто удобство: она сможет работать просто при комнатной температуре, в отличие от обычных аналогов, требующих криогенных условий. Кроме того, майларовые прокладки будут эффективно поглощать ядра золота, тогда как ядра более высокой энергии — скажем, частицы космического излучения — будут пролетать сквозь несколько слоев, что позволит их выявлять и исключать из оценки.

Вообще, чередование слоев майлара, «ДНК-леса» и золота делает детектор направленным: ядра золота, выбитые не в ту сторону, будут тут же поглощаться полимером. В итоге, по расчетам авторов, детектор будет подобен направленной антенне, обнаруживая поток частиц темной материи — вимпов — идущий лишь из одного направления. Это, теоретически, позволит эффективно выявить суточные периодические изменения.

На первый взгляд, предложение выглядит чрезвычайно заманчивым, однако есть в нем и свои сложности. Прежде всего, нельзя в точности сказать, как в действительности тяжелое, положительно заряженное ядро золота будет взаимодействовать с нитью ДНК, а тем более — с целым их лесом. Этот вопрос требует отдельного предварительного изучения. Кроме того, непросто уже получить достаточное количество нитей ДНК нужной длины: по расчетам, они должны насчитывать порядка 10 тыс. азотистых оснований, чтобы полностью поглощать кинетическую энергию ядра золота.

При этом нити не должны быть перекручены, располагаясь строго параллельно, и «лес» их должен плотно покрывать довольно значительную площадь — порядка метра. Существующие методы позволяют получать лишь небольшую «рощицу» ДНК на площади порядка миллиметров и высотой максимум в несколько сотен оснований.

Есть и еще одна сложность, связанная с неизбежным присутствием в составе ДНК естественных небольших количеств радиоактивного углерода-14, распад которого также будет вносить искажения в наблюдения. Возможно, для детектора понадобится использовать азотистые основания, полученные из весьма древних образцов ДНК, в которых распад углерода-14 уже практически полностью прошел.

В конце концов, предстоит создать устройство, включающее много тончайших слоев золота и плотно расположенного и строго параллельного «леса» ДНК, проложенных полимерными пленками, на метровой площади. Словом, при простоте идеи практическое воплощение ее может столкнуться с огромными трудностями. Однако и ставки высоки: посмотрим, найдутся ли желающие попытаться решить эти проблемы и поймать неуловимые частицы.

По публикации MIT Technology Review / Physics arXiv Blog