La 'chambre de suivi de l'ADN' révolutionnaire pourrait détecter la matière noire

Peut-être que la race la plus grande et la plus férocement disputée dans la science moderne est la recherche de la matière noire.

Les physiciens ne peuvent pas voir ce genre de choses, d'où le nom. Cependant, ils en déduisent son existence car ils peuvent voir son influence gravitationnelle sur la structure des galaxies et des amas de galaxies. Cela implique que l'univers est rempli de matière noire, beaucoup plus que la matière visible que nous pouvons voir

S'ils ont raison, la matière noire doit remplir notre galaxie et notre système solaire. En ce moment même, nous devrions nous frayer un chemin à travers une mer dense de matière noire alors que le Soleil se déplace vers la constellation du Cygne en orbite autour du centre galactique.

C'est pourquoi divers groupes se précipitent pour détecter ce genre de choses à l'aide de détecteurs coûteux dans des cavernes souterraines profondes, qui les protègent des radiations qui, autrement, submergeraient le signal.

Ces expériences recherchent la signature unique que la matière noire est censée produire à la suite du passage de la Terre autour du Soleil. Pendant la moitié de l'année, la matière noire forme un vent contraire lorsque la Terre s'y engouffre ; pour l'autre moitié de l'année, il forme un vent arrière.

En effet, quelques groupes prétendent avoir trouvé exactement cette signature diurne, bien que les résultats soient très controversés et semblent être en conflit direct avec d'autres groupes qui disent ne pas l'avoir vue.

Il existe un moyen simple de faire de meilleures observations qui devraient résoudre cette énigme. Le signal de matière noire devrait varier, non seulement au cours d'une année, mais tout au long de la journée au fur et à mesure que la Terre tourne.

Le vent contraire de la matière noire devrait venir de la direction du Cygne, donc un détecteur approprié devrait voir la direction changer au fur et à mesure que la Terre tourne chaque jour.

Il y a cependant un problème : personne n'a construit de détecteur directionnel de matière noire.

C'est pourquoi une nouvelle idée révolutionnaire issue d'une collaboration improbable de physiciens et de biologistes semble plutôt excitante. Le groupe rassemble des personnes diverses, telles que Katherine Freese de l'Université du Michigan à Ann Arbor, astrophysicienne et l'un des principaux penseurs dans le domaine de la matière noire, et George Church de l'Université Harvard à Cambridge, généticien et pionnier de la le domaine du séquençage du génome.

Ces gars disent qu'ils peuvent surmonter les problèmes de la détection conventionnelle de la matière noire en utilisant l'ADN pour repérer les particules de matière noire.

Leur détecteur est pour le moins non conventionnel. Son unité de détection de base se compose d'une fine feuille d'or avec de nombreux brins d'ADN simple brin suspendus, comme des rideaux de perles ou une forêt suspendue. Chaque brin d'ADN est identique à l'exception d'une étiquette à l'extrémité libre, qui identifie l'endroit où il se trouve sur la feuille d'or.

L'idée est qu'une particule de matière noire se brise dans un noyau d'or lourd dans la feuille, l'envoyant en carrière hors de la feuille d'or et à travers la forêt d'ADN. Le noyau d'or coupe ensuite les brins d'ADN au cours de son voyage, coupant une bande à travers la forêt.

Ces brins tombent sur un bac collecteur en dessous, qui est retiré toutes les heures environ. Les segments peuvent ensuite être copiés plusieurs fois à l'aide d'une réaction en chaîne par polymérase, amplifiant ainsi le signal un milliard de fois.

La séquence et l'emplacement de chaque brin étant connus, il est facile de déterminer où il a été coupé, ce qui permet de reconstituer le passage de la particule d'or avec une précision nanométrique.

L'ensemble du détecteur se compose de centaines ou de milliers de ces feuilles prises en sandwich entre des feuilles de mylar, comme les pages d'un livre. Au total, un détecteur de la taille d'un coffre à thé nécessiterait environ un kilogramme d'or et environ 100 grammes d'ADN simple brin.

L'avantage de cette conception est multiple. Premièrement, la séquence d'ADN détermine la position verticale de la coupe à la taille d'un nucléotide. Ce type de résolution nanométrique est supérieur de plusieurs ordres de grandeur à ce qui est possible aujourd'hui.

Deuxièmement, ce détecteur fonctionne à température ambiante, contrairement à d'autres modèles qui doivent être refroidis pour mesurer l'énergie produite par les collisions de matière noire.

Et enfin, les feuilles de mylar rendent le détecteur directionnel. Chaque feuille devrait absorber le noyau d'or de cette énergie après son passage à travers la forêt d'ADN. Tout noyau d'énergie plus élevée, provenant du rayonnement de fond ou des rayons cosmiques par exemple, devrait traverser plusieurs « pages », ce qui permet de les repérer et de les exclure.

Avec l'appareil orienté dans une direction, une particule de matière noire heurte un noyau d'or, le propulsant dans la forêt d'ADN. Mais dans l'autre, le noyau d'or est propulsé dans la feuille de mylar où il est absorbé. C'est ce qui le rend directionnel - le détecteur ne doit enregistrer que les événements provenant d'une seule direction.

Cela devrait permettre à l'appareil de détecter chaque jour le changement du signal de matière noire, ce qui à son tour devrait rendre la détection beaucoup moins exigeante sur le plan statistique.

C'est une idée fascinante qui est susceptible de générer beaucoup d'intérêt. Cependant, ce n'est pas sans quelques défis qui lui sont propres.

Tout d'abord, personne ne sait vraiment comment les noyaux d'or hautement ionisés et se déplaçant rapidement vont interagir avec des brins simples d'ADN ou même avec des forêts de ces derniers. C'est quelque chose que l'équipe prévoit d'étudier en détail avant qu'un détecteur puisse être construit.

Ensuite, il y a le défi de fabriquer des brins d'ADN suffisamment longs pour présenter une «forêt» raisonnable pour le passage des noyaux d'or. Church, Freese et co disent qu'ils aimeraient des brins composés de 10 000 bases pour créer une forêt qui absorbe entièrement l'énergie d'un noyau d'or qui la traverse.

En revanche, les puces prêtes à l'emploi offrent des brins d'ADN avec seulement 250 bases environ. Ces gars-là disent qu'ils devront probablement se contenter de brins d'environ 1000 bases.

Les brins d'ADN doivent également pendre vers le bas, plutôt que recroquevillés. C'est un défi de taille sur la surface d'un mètre carré environ que le détecteur couvrira. À cette échelle, les champs électriques et magnétiques l'emportent sur la gravité et ceux-ci sont susceptibles d'être une nuisance, en particulier lorsqu'il s'agit de collecter l'ADN coupé.

L'équipe devra donc concevoir un genre de «peigne» à ADN qui redressera les cheveux. Une idée consiste à attacher un petit aimant à l'extrémité libre de chaque brin, lui permettant d'être tiré vers le bas.

Les brins d'ADN devront également être constitués de carbone 12 et 13, car le carbone 14 est naturellement radioactif et produirait autrement un sifflement indésirable de bruit de fond. Utiliser uniquement du très vieux carbone, dans lequel tout le carbone 14 s'est décomposé, devrait faire l'affaire.

Enfin, il y a le défi technique important que représente la fabrication de puces à ADN d'un mètre carré, la collecte de plateaux qui captent les brins d'ADN coupés et leur intégration complète dans un détecteur fonctionnel.

Il y a plus que quelques inconnues dans cette approche qui la rend à haut risque. Mais le potentiel de rentabilité est également élevé, car les autres conceptions de détecteurs directionnels de matière noire sont énormes, complexes et potentiellement beaucoup plus coûteuses à construire et à exploiter. Cela rend cette approche passionnante.

Les découvreurs de la matière noire sont un fer de lance pour un prix Nobel. Compte tenu de ces enjeux, nous pourrions voir des investissements dans cette idée le plus tôt possible.

Mais il y a aussi des raisons d'être prudent. Une petite mais bruyante minorité de physiciens dit que la matière noire n'existe pas, que d'autres idées expliquent mieux la structure des galaxies.

S'ils ont raison, nous reviendrons un jour sur ces efforts de la même manière que nous pensons à la recherche du phlogistique ou au débat sur l'émergence spontanée des formes de vie inférieures : comme un cul de sac légèrement amusant de la physique du 21e siècle. .

Réf : arxiv.org/abs/1206.6809 : Nouveaux détecteurs de matière noire utilisant l'ADN pour le suivi nanométrique

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