La revolucionaria 'cámara de seguimiento de ADN' podría detectar la materia oscura

Quizás la carrera más grande y más ferozmente disputada en la ciencia moderna es la búsqueda de materia oscura.

Los físicos no pueden ver estas cosas, de ahí el nombre. Sin embargo, infieren su existencia porque pueden ver su influencia gravitacional en la estructura de galaxias y cúmulos de galaxias. Implica que el universo está lleno de materia oscura, mucho más que la materia visible que podemos ver.

Si tienen razón, la materia oscura debe llenar nuestra galaxia y nuestro sistema solar. En este mismo instante, deberíamos estar abriéndonos camino a través de un denso mar de materia oscura mientras el Sol se mueve hacia la constelación de Cygnus mientras orbita el centro galáctico.

Es por eso que varios grupos se apresuran a detectar estas cosas utilizando costosos detectores en cavernas subterráneas profundas, que los protegen de la radiación que de otro modo inundaría la señal.

Estos experimentos buscan la firma única que se cree que produce la materia oscura como resultado del paso de la Tierra alrededor del Sol. Durante la mitad del año, la materia oscura forma viento en contra cuando la Tierra se abalanza sobre ella; durante la otra mitad del año, forma viento de cola.

De hecho, un par de grupos afirman haber encontrado exactamente esta firma diurna, aunque los resultados son muy controvertidos y parecen estar en conflicto directo con otros grupos que dicen no haberlo visto.

Existe una forma sencilla de realizar mejores observaciones que debería resolver este enigma. La señal de materia oscura debería variar, no solo en el transcurso de un año, sino a lo largo del día a medida que la Tierra gira.

El viento en contra de la materia oscura debería provenir de la dirección de Cygnus, por lo que un detector adecuado debería ver el cambio de dirección a medida que la Tierra gira cada día.

Sin embargo, existe un problema: nadie ha construido un detector direccional de materia oscura.

Es por eso que una nueva idea revolucionaria de una colaboración poco probable de físicos y biólogos parece bastante emocionante. El grupo reúne a personas diversas, como Katherine Freese de la Universidad de Michigan en Ann Arbor, astrofísica y uno de los pensadores líderes en el área de la materia oscura, y George Church de la Universidad de Harvard en Cambridge, genetista y pionero en el área de secuenciación del genoma.

Estos muchachos dicen que pueden superar los problemas con la detección convencional de materia oscura utilizando ADN para detectar partículas de materia oscura.

Su detector es poco convencional, por decir lo mínimo. Su unidad de detección básica consiste en una fina lámina de oro de la que cuelgan muchas hebras de ADN de una sola hebra, como cortinas de cuentas o un bosque colgante. Cada hebra de ADN es idéntica, excepto por una etiqueta en el extremo que cuelga libremente, que identifica en qué parte de la hoja dorada se encuentra.

La idea es que una partícula de materia oscura se estrelle contra un núcleo de oro pesado en la hoja, enviándola a toda velocidad fuera de la hoja de oro y a través del bosque de ADN. El núcleo de oro luego corta las hebras de ADN a medida que viaja, cortando una franja a través del bosque.

Estas hebras caen sobre una bandeja colectora que se encuentra debajo, que se retira aproximadamente cada hora. Luego, los segmentos se pueden copiar muchas veces mediante una reacción en cadena de la polimerasa, amplificando así la señal mil millones de veces.

Dado que se conoce la secuencia y ubicación de cada hebra, es sencillo determinar dónde se cortó, lo que permite reconstruir el paso de la partícula de oro con precisión nanométrica.

El detector completo consta de cientos o miles de estas hojas intercaladas entre hojas de mylar, como las páginas de un libro. En total, un detector del tamaño de una caja de té requeriría alrededor de un kilogramo de oro y alrededor de 100 gramos de ADN monocatenario.

La ventaja de este diseño es múltiple. Primero, la secuencia de ADN determina la posición vertical del corte dentro del tamaño de un nucleótido. Ese tipo de resolución nanométrica es muchos órdenes de magnitud mejor de lo que es posible en la actualidad.

En segundo lugar, este detector funciona a temperatura ambiente, a diferencia de otros diseños que deben enfriarse para medir la energía que producen las colisiones de materia oscura.

Y finalmente, las láminas de mylar hacen que el detector sea direccional. Cada hoja debe absorber el núcleo de oro de esta energía después de que haya atravesado el bosque de ADN. Cualquier núcleo de mayor energía, desde la radiación de fondo o los rayos cósmicos, por ejemplo, debe pasar por varias 'páginas', lo que les permite ser detectados y excluidos.

Con el dispositivo orientado en una dirección, una partícula de materia oscura golpea un núcleo de oro y lo impulsa hacia el bosque de ADN. Pero en el otro, el núcleo de oro se impulsa hacia la lámina de mylar donde se absorbe. Eso es lo que lo hace direccional: el detector solo debe registrar eventos provenientes de una dirección.

Esto debería permitir que el dispositivo detecte el cambio en la señal de materia oscura cada día, lo que a su vez debería hacer que la detección sea mucho menos exigente estadísticamente.

Es una idea fascinante que probablemente genere mucho interés. Sin embargo, no está exento de algunos desafíos.

En primer lugar, nadie sabe realmente cómo los núcleos de oro altamente ionizados y que se mueven rápidamente interactuarán con hebras simples de ADN o, de hecho, con bosques de ellas. Esto es algo que el equipo planea estudiar con cierto detalle antes de que se pueda construir un detector.

Luego está el desafío de hacer hebras de ADN que sean lo suficientemente largas como para presentar un 'bosque' razonable para que pasen los núcleos de oro. Church, Freese y compañía dicen que les gustaría hebras que constan de 10,000 bases para crear un bosque que absorba por completo la energía de un núcleo de oro que lo atraviesa.

Por el contrario, las matrices listas para usar ofrecen cadenas de ADN con solo 250 bases aproximadamente. Estos muchachos dicen que probablemente tendrán que conformarse con cadenas de aproximadamente 1000 bases.

Las hebras de ADN también deben colgar hacia abajo, en lugar de enrollarse. Eso es una tarea difícil en el área de un metro cuadrado más o menos que el detector cubrirá. A esta escala, los campos eléctricos y magnéticos superan a la gravedad y es probable que sean una molestia, particularmente cuando se trata de recolectar el ADN cortado.

Así que el equipo tendrá que idear algún tipo de 'peine' de ADN que alise el cabello. Una idea es colocar un pequeño imán en el extremo libre de cada hebra, lo que permite tirar de él hacia abajo.

Las hebras de ADN también deberán estar hechas de carbono-12 y 13, ya que el carbono-14 es naturalmente radiactivo y de lo contrario produciría un silbido no deseado de ruido de fondo. Usar solo carbono muy viejo, en el que todo el carbono-14 se ha descompuesto, debería funcionar.

Finalmente, existe el importante desafío de ingeniería en la fabricación de matrices de ADN de un metro cuadrado, recolectando bandejas que atrapan las hebras de ADN cortadas y encajándolas por completo en un detector que funcione.

Hay más de unas pocas incógnitas en este enfoque que lo hacen de alto riesgo. Pero también existe un alto potencial de recompensa porque otros diseños de detectores direccionales de materia oscura son enormes, complejos y potencialmente mucho más costosos de construir y ejecutar. Eso hace que este enfoque sea emocionante.

Los descubridores de la materia oscura son un zapato para un premio Nobel. Teniendo en cuenta estos riesgos, es posible que veamos alguna inversión en esta idea más temprano que tarde.

Pero también hay motivos para ser cautos. Una pequeña pero ruidosa minoría de físicos dice que la materia oscura no existe, que otras ideas explican mejor la estructura de las galaxias.

Si tienen razón, algún día miraremos hacia atrás en estos esfuerzos de la misma manera que pensamos en la búsqueda del flogisto o el debate sobre la aparición espontánea de formas de vida inferiores: como un callejón sin salida ligeramente divertido de la física del siglo XXI. .

Ref: arxiv.org/abs/1206.6809 : Nuevos detectores de materia oscura que utilizan ADN para el seguimiento de nanómetros

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