Одно из самых удивительных научных открытий последних десятилетий заключается в том, что мы не знаем, из чего состоит большая часть Вселенной. Вещество, из которого мы созданы, вещество, из которого создано все, что мы видим — лишь малая часть всего сущего.
Благодаря исследованиям стало возможным предположение, что существует дополнительное вещество, не испускающее свет, названное «темная материя». Из чего именно оно состоит, пока не ясно. Принято считать, что это некий тип частиц, которые слабо взаимодействуют с чем-либо и, в частности, не взаимодействуют с фотонами, которые являются переносчиками света.
Что представляет собой темная материя?
Несмотря на то что мы не можем видеть темную материю, она ощутима за счет своего гравитационного воздействия, которое может быть выявлено множеством методов, например, гравитационным линзированием (gravitational lensing) и движением видимых масс (звезд) в гравитационном поле темного вещества.
Кривизна вращения галактики была первым доказательством того, что есть нечто, влияющее на движение звезд вокруг ее центра, кроме самих звезд. В настоящее время предполагается, что Млечный Путь, как и большинство галактик, окружен практически сферическим ореолом темного вещества, и наше Солнце движется сквозь этот ореол.
Солнечная система вращается вокруг центра Млечного Пути по орбите, для прохождения которой целиком потребуется 220 000 000 лет. При этом мы постоянно движемся через темное вещество, которое в свою очередь движется по галактике не вращающимся способом и, вследствие этого, постоянно (и очень быстро) проходит через Землю.
Вероятность того, что темная материя взаимодействует с веществом, из которого мы состоим, очень мала, но время от времени это может происходить.
Темное вещество и мы
В настоящее время проводится множество экспериментов, которые изучают редкие случаи взаимодействия между видимым и темным веществом. Для этого используются большие резервуары, в которых содержатся определенные виды атомов с требуемыми свойствами.
В разных экспериментах используются разные атомы, но все они нацелены на крошечную отдачу, которую атомное ядро должно получить от частицы темного вещества. Затем датчики измеряют либо генерируемое в результате тепло, либо свет, который некоторые атомы выделяют после взаимодействия, называемый «сцинтилляция» (scintillation).
Фотоумножитель в детекторе темной материи LUX
Частицы темного материи также движутся через наши тела и иногда взаимодействуют с нашими атомными ядрами. Обычно энергия, переносимая ими, составляет 1 килоэлектронвольта. Это очень маленькая ядерная энергия, и поэтому на сами ядра она не влияет — они просто немного покачнутся. Но ее более чем достаточно для того, чтобы разрывать молекулярные связи, которые обычно в 1000 раз меньше. Таким образом, темное вещество может повреждать структуры связей молекул нашего тела. Несколько процентов атомных ядер нашего тела — это ДНК, поэтому не исключено, что темное вещество может повредить ваше ДНК. В большинстве случаев, когда подобное происходит, ущерб устраняется или клетка погибает. Но иногда так не происходит, и поврежденные молекулы ДНК выживают и размножаются.
Именно поэтому темное вещество может вызвать у вас рак. Вопрос в том, насколько вероятно такое событие? Весьма маловероятно, что подобное произойдет. Все работающие в данный момент детекторы темного вещества содержат примерно от 50 до 250 кг массы, что для физика-теоретика равно весу среднестатистической коровы (или даже меньше). Эти датчики фиксируют прогнозируемое число событий в год: от нескольких событий до тысячи. Прогнозируемое число обнаружений меньше, чем реальное число взаимодействий, вследствие неэффективности датчиков, но исходя из этих данных вы можете предположить, что ваше тело будет взаимодействовать с темным веществом примерно от 10 до нескольких тысяч раз в год.
Вы можете найти более точные данные в интересной статье Катерин Фрис и Кристофера Сэвэджа «Столкновение темной материи с человеческим телом» (Dark Matter collisions with the Human Body by Katherine Freese & Christopher Savage). Их вычисления приводят к тем же результатам, что и приведенная здесь небрежная оценка: мы взаимодействуем с темным веществом с частотой от 1 раза в несколько дней до нескольких раз в день. В упомянутой статье вы найдете больше деталей, например, о том, что взаимодействие более вероятно будет происходить с ядрами кислорода. Точное число взаимодействий конечно же зависит от типа частиц темной материи, которые содержатся в нашей Вселенной (что до сих пор не известно), поэтому в указанном предположении есть существенная неточность.
В том, что касается влияния на здоровье, никто не может в действительности предположить, какова вероятность развития рака в результате ущерба, нанесенного молекулярным связям, но можно сравнить ущерб от влияния темного вещества и ущерб от космической радиации, в частности от мюонов. Мюоны не только передают больше энергии нашему телу, но и намного более многочисленны. Фрис и Сэвэдж предполагают, что влияние темного вещества на наш организм в течение все жизни равно ущербу, который мы получаем от космической радиации за 1 секунду.
Поэтому в том, что касается рака, темная материя — это последнее, о чем вам стоит беспокоится. К тому же, вы мало что можете с этим поделать.
Что же в этом хорошего?
То, что темное вещество способно разрушать ДНК, может даже быть полезно.
Один из детекторов темного вещества, называемый DAMA, измерял сигнал в течение многих лет, причем сигнал периодически менялся в течение года. Можно предположить, что такая ежегодная модуляция сигнала темной материи связана с движением Солнца сквозь ореол темного вещества. Так или иначе, сигнал, получаемый DAMA, очень хорошо подтвержден — датчик явно что-то фиксирует. Но из-за конфликтов с другими экспериментами многие исследователи считают, что DAMA фиксирует что-то другое, а не темное вещество. Что же на самом деле фиксирует DAMA, исследователи пока точно не знают.
Одним из способов разрешения этой вводящей в заблуждение ситуации является установление направления, из которого появляются частицы. Это вызвано тем, что мы не знаем ни о каком другом сигнале, который двигался бы как «встречный ветер» из темного вещества навстречу нашему движению вокруг центра галактики. Однако существующие в настоящее время датчики не очень хорошо подходят для этого, потому что они не создавались для измерения направления отдачи и не очень чувствительны к точному месту взаимодействия.
Но есть способ отследить направление происхождения частиц темного вещества, который был предложен в статье Дрюкера и других авторов «Новые детекторы темной материи, использующие ДНК или РНК для отслеживания» (New Dark Matter Detectors using DNA or RNA for Nanometer Tracking by Drukier et al.) от 2012 года. Их идея состоит в том, чтобы использовать поломки прямых (а не выгнутых), близко расположенных нитей ДНК и таким образом воссоздать отдачу атома после удара частицей темной материи.
Их эксперимент состоит в следующем: дождаться, когда частица темной материи совершит взаимодействие с тонким слоем золота и выбьет из него один из атомов. . Атом золота возьмет на себя большую часть ускорения частицы темной материи и поэтому продолжит движение в том же направлении. Ниже слоя золота располагаются нити ДНК, и когда атом золота ударяет по ним, ДНК скорее всего будет рваться. От частиц темной материи атомы золота получают достаточно энергии, чтобы разорвать сотни нитей ДНК.
Эскиз предложенного эксперимента. Частица темной материи выбивает атом золота, который продолжает движение и разрушает несколько нитей ДНК
Если вы вспомните последовательность цепочек ДНК, то они в основном представляют собой систему координат. В таком случае нужно изучить концы разрушенных цепочек ДНК, установить, где они были разрушены, и реконструировать путь атома золота, и таким образом установить направление появления частиц темного вещества.
Почему надо использовать именно ДНК? Ведь для этих целей подойдет любой достаточно длинный полимер с известной и не слишком повторяющейся последовательностью. Основным преимуществом ДНК является то, что это широко известная и хорошо изученная молекула, и существует множество способов проектировать, копировать и измерять цепочки ДНК. Кроме того, методы реконструкции последовательности (такие, как наложение) достаточно освоены, а технология их повторения быстра и удобна.
Указанный эксперимент хорош не только тем, что позволяет разрешить загадку темного вещества, но и потому, что отлично связывает физику с биохимией и молекулярной биологией. Секрет открытия тайны темной материи может быть записан в коде самого нашего существования.
Высоких вам конверсий!
По материалам: medium.comimage source Sergio Pessolano
