

寻找暗物质可以说是目前最重大的科学探索——即使科学家们已经接近发现 难以捉摸的希格斯玻色子——但寻找它并非易事,因为物理学家们无法看到或测量到它,甚至无法确定它是否存在(毕竟,它目前仍是理论上的)。为了找到它,一个由天体物理学家和遗传学家组成的知名合作团队正在着手构建我们近年来遇到的最“异想天开”的粒子探测器之一:一个由 DNA 制成的暗物质探测器。
许多物理学家认为,根据我们对宇宙的最佳模型,暗能量必定无处不在,它作用于星系和星系团,甚至在地球围绕太阳运行时包围着地球(地球正缓慢地朝着天鹅座的方向前进,同时围绕银河系中心旋转)。如果真是这样,那么地球的前方应该会迎来一股暗物质的逆风,尾部则会留下暗物质的顺风,因此随着地球在白天旋转,暗物质信号应该会发生变化。
因此,由密歇根大学天体物理学家 Katherine Freese 和哈佛大学著名遗传学家 George Church(他因在基因组测序等方面的工作而闻名)组成的团队正在合作开发一种新型定向探测器,旨在利用 DNA 捕获暗物质粒子的移动方向。
该探测器的工作原理是将多股单链 DNA 悬挂在一张薄金箔上,在金箔下方形成一个“森林”般的下垂 DNA 链。当暗物质粒子撞击上方金箔中的重金原子核时,这些原子核会被撞击松动,并穿过下方的 DNA 森林,切断 DNA 链,在“森林”中开辟一条路径。被切断的 DNA 链会落到下方的收集板上;由于事先记录了每条 DNA 链的位置和序列,快速分析哪些链被切断,就可以描绘出金原子核在森林中移动的轨迹,进而了解每个原子核是如何被暗物质粒子击中的。
换句话说,这样的探测器既能显示暗物质的存在,又能指示其来向。此外,与目前许多试图寻找暗物质的探测器不同,这个传感器阵列不需要超低温冷却,也不需要非常大——一个一平方米的阵列可能就能完成任务。但是,构建一个由下垂的单链 DNA 组成的平方米阵列,以及一个有效收集和分析被切断 DNA 链的方法,也存在许多固有的问题。这并不容易,但如果 Church、Freese 及团队能够解决这个问题,或许将有可能获得诺贝尔奖。
关于此事的更多信息,请阅读 arXiv。