寻找宇宙最神秘的粒子!DNA探测器揭开暗物质面纱

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发布时间:2023-07-14 浏览次数:1379

       当今宇宙最大的谜之一是暗物质。据说这种神秘的物质占宇宙总质量的80%左右,但至今仍身份不明。

       

  在物理学上,组成暗物质的粒子,其主要候选者是大质量弱相互作用粒子(WIMP)。这是一种超对称理论预言的粒子,它的质量预计在质子的50到几千倍之间。它与普通物质粒子之间不存在强核力、电磁力作用,但存在引力和弱核力作用。


  不过,尽管近二十年来,实验家们设计了各种类型的探测器来寻找它,但至今仍一无所获。


  如何甄别暗物质粒子?


  按照天文学家的看法,暗物质虽然看不见,但却充溢我们的太阳系,甚至整个银河系,我们就处于暗物质的海洋中。当太阳绕着银河系中心转动的时候,事实上它就在一片暗物质粒子的“大海”中航行。


  因为暗物质在宇宙空间中构成了基本上静止不动(相对银河系中心而言)的背景,而太阳又在绕着银河系中心运动,所以倘若站在太阳上看,暗物质粒子好像一阵方向始终不变的斜风在吹拂着整个太阳系。不过因为地球又在绕着太阳公转,所以对于站在地球上的观察者,在一年的一半时间内,地球在逆着暗物质粒子的“斜风”前进,而另一半时间则在顺着“斜风”前进。倘若物理学家捕捉到一种未知的粒子,它的方向在一年内会发生周期性变化,那么基本上可以肯定他们捕捉到的就是一种暗物质粒子。


  由此可见,确定一种未知粒子在一年中不同时间射向地球的方向,并由此判断是否发生周期性变化,对于甄别这种粒子是否是暗物质粒子十分重要。


  设想中的DNA探测器


  位于意大利一个地下洞穴里的XENON1T是一个巨大的暗物质探测器,它由一个巨大的液态氙桶组成。XENON1T希望通过观察设想中的WIMP粒子与氙原子核发生弱核反应来探测暗物质。但是能与氙原子核发生弱核反应的还有其他一些粒子,比如高能的宇宙射线粒子,因此这些已知的粒子必须排除。


  怎么排除呢?就是像上一节所说的,看看未知粒子射向XENON1T探测器的方向在一年内是否发生周期性变化。但遗憾的是,XENON1T和其他类似的暗物质探测器无法判断粒子来自哪个方向。

       

  为了准确地测量粒子的射向,一个澳大利亚的研究小组提出一个脑洞大开的想法:用DNA建造一种新型的粒子探测器。


  他们的设想是这样:加工一块极薄的正方形黄金薄片,在上面刻划出一个个均匀的微小格子。水平放置,并在每个格点上,悬挂一条长度相等的DNA。这些DNA上都有特殊的标记,标明它是哪个格点上垂挂下来的。


  假如一种未知的粒子射向黄金薄片,通过弱核作用它会把金原子撞出薄片。被撞出来的金原子于是飞入悬挂DNA细丝的“密林”中。当它撞到一根DNA细丝时,DNA就会在被撞处折断,掉到底下一个承接的盘中。金原子要是在飞行的过程中撞了n根DNA,那么就会有n段DNA掉到盘中,而且因为撞击点不同,掉下的每一段DNA都不一样长,越到后头掉下来的越短。


  倘若这些掉到盘中的DNA片段可以通过显微镜直接读出它们的长度,那就好办了,我们就可以结合它们各自的位置,重建金原子飞行的轨迹。由此又可以反推未知粒子射向黄金薄片的方向。但这些DNA片段都太小,用显微镜根本看不见。怎么办呢?


  这就需要利用DNA的一种特性,或者一种叫“DNA扩增”的技术。利用这项技术,我们可以把这段DNA片段不断复制,这相当于把一个微小的信号放大了,便于让我们精确地测量出它的长度——使用这项技术对于生物学家来说,是家常便饭了。这也是为什么有人只要收集你嘴巴中一点唾液,就可以进行DNA鉴定的原因——测出这些折断掉下来的DNA片段的长度,再结合它们的位置信息,我们就可以重建金原子飞行的轨迹,由此反推未知粒子射向黄金薄片的方向。


  探测粒子的新思路


  由于组成DNA的最小单元是脱氧核苷酸,一个脱氧核苷酸长度只有几个纳米,而DNA链只会在两个脱氧核苷酸相连处断裂,所以,这种DNA探测器的精度可达到几个纳米,这个精度目前远远高于其他类型的探测器。


  除了精度高之外,这种探测器还小巧、轻便,在常温下就可以工作。而目前世界上已经运行的暗物质粒子探测器,都非常庞大,造价高昂,需要运行在极低温的环境下。


  不过,DNA探测器也并非完美。它的主要优势是能够确定粒子的来源方向,但不能判断粒子的类型和能量,因此需要跟其他探测器联合使用。


  要建造这样一个DNA探测器还有很多工作要做。2021年,物理学家在XENON1T的数据中发现了可能存在未知粒子的证据,但确定这种粒子具体是什么,还有一定的困难。因此,科学家切盼DNA探测器早日建成,以便确定那是不是暗物质粒子。

       

       本文来源:大科技 作者:大科技 仅用于分享。如有侵权,请联系hq13379078029@163.com修改删除

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