Rez@ee
18th July 2012, 10:00 AM
گروهی از فیزیک‌دانان و زیست‌شناسان برای ساخت یک آشکارساز مادهی تاریک با استفاده ازDNA آماده می‌شوند و امیدوارند که دستاوردشان بهتر از تمام دستگاه‌های موجود کار کند.
http://psi.ir/upload/news/1391/hushmandi/1.jpg
در علم نوین مطالعه‌ی مادهی تاریک بسیار جنجال‌برانگیز است.
همان‌طور که از نامش برمی‌آید، فیزیک‌دانان نمی‌توانند این ماده را ببینند؛ ولی وجود آن را درک می‌کنند چرا که اثر گرانشی آن بر ساختار کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی دیده می‌شود، و این یعنی جهان از مادهی تاریک پر شده است، آن هم بسیار بیشتر از هر آنچه که دیده می‌شود.
اگر این دیدگاه درست باشد، باید کهکشان و منظومه‌ی شمسی ما نیز از مادهی تاریک پر شده باشند. یعنی وقتی خورشید به سمت صورت فلکی دجاجه حرکت میکند، درواقع راهش را با شخم زدن این ماده، باز میکند.
گروه‌های بسیاری برای آشکارسازی این ماده در رقابتند، آن هم با آشکارسازهایی گران‌قیمت و در غارهای عمیق زیرزمینی؛ چرا که تابش‌های موجود ممکن است سیگنال‌ها را تحت‌الشعاع قرار دهند.
این دست آزمایش‌ها به دنبال نشانه‌ای ویژه هستند که تصور می‌شود مادهی تاریک، با حرکت زمین تولید میکند؛ در نیمی از سال که زمین در مادهی تاریک پیش می‌رود، این ماده جریان مخالف تولید میکند و در نیمه‌ی دیگر سال جریان موافق.
در شرایطی که بسیاری دانشمندان چیزی مشاهده نکردهاند، گروه‌هایی هم هستند که ادعا می‌کنند، نشانه‌هایی دیدهاند.
اما یک راه مستقیم نیز وجود دارد که میتوان مشاهدات را بهتر کرد؛ درواقع سیگنال‌های مادهی تاریک تغییر می‌کنند، نه تنها در طول یک سال که حتی در طول یک روز، که علتش چرخیدن زمین است.
جریان مخالف مادهی تاریک باید از سوی دجاجه بیاید؛ در نتیجه یک آشکارساز خوب باید تغییر جهتی که به علت چرخش زمین است، را تشخیص دهد.
مشکلی که وجود دارد این است که تا امروز یک آشکارساز ساخته نشده است که مستقیما ً مادهی تاریک را ببیند.
همین است که یک ایده‌ی انقلابی از طرف یک گروه نامتعارف فیزیک‌دانان و زیست‌شناسان همه را هیجان‌زده کرده است. در این گروه افراد متفاوتی گرد هم آمدهاند؛ مانند کاترین فریز از دانشگاه میشیگان در آنآربور، یک اخترفیزیک‌دان و از صاحب نظران مادهی تاریک، و جورج چرچ از دانشگاه هاروارد در کمبریج، یک نسل‌شناس و از پیش‌گامان شاخه‌ی توالی ژنوم‌ها.
این گروه میگویند که می‌توانند بر مشکلات مرسوم در آشکارسازی مادهی تاریک غلبه کنند آن هم تنها با استفاده از DNA؛ که نقشش تعیین مکان ذرات مادهی تاریک خواهد بود.
درواقع آشکارساز آنها بسیار ناشناخته است؛ دستگاه از یک صفحهی نازک طلا ساخته شده که رشته‌هایی از DNAهای تک‌نواری از آن آویزانند، مانند مانع‌های متوالی یا یک جنگل آویزان. تمام رشته‌های DNA مشابهند مگر در یک نشانه که در انتهای آزاد هر کدام قرار دارد و به شکلی نشانگر این است که کجای صفحهی طلا قرار دارند.
ایده این است که ذرات مادهی تاریک با هستههای سنگین طلا برخورد و در صفحهی طلا و به دنبالش در جنگل DNA مسیری باز می‌کنند. هستههای طلا همین که آزاد شوند رشته‌های DNA را جدا می‌کنند و راه باریکی در میان جنگل باز می‌شود.
این رشتهها در یک سینی می‌ریزند که حدودا ً هر یک ساعت یک‌بار تعویض خواهد شد. میتوان با فرایندهای زنجیره‌ای پلیمراز، این رشتهها را تکثیر و سیگنال‌ها را تا میلیاردها مرتبه بزرگ کرد.
توالی و مکان هر رشته شناخته شده است؛ پس میتوان مستقیما ً تعیین کرد که هرکدام از چه نقطه‌ای جدا شده‌اند، و این یعنی ما قادر خواهیم بود مسیر ذرات طلا را با دقت نانومتری تعیین کنیم.
کل آشکارساز از چند صد یا هزاران صفحهی اینچنینی ساخته شده است که مانند برگه‌های یک کتاب میان دو صفحهی مایلار (پلی استر مقاومی که در ساخت نوارهای صوتی به کار می‌رود.) ساندویچ شده‌اند. برای ساختن آشکارسازی به اندازه‌ی یک جعبهی چای، در حدود یک کیلوگرم طلا و صد گرم DNA تک‌نواری لازم است.
این طراحی چندین مزیت دارد؛ ابتدا اینکه توالی DNA کمک میکند که موقعیت عمودی برش را نیز تعیین کنیم آن هم تا دقتی به اندازه‌ی یک هسته. این نوع وضوح نانومتری چندین مرتبه بهتر از آن چیزی‌ست که امروزه ممکن است.
دوم آنکه، این آشکارساز در دمای اتاق کار میکند؛ برخلاف طراحیهای دیگر که باید سرد شوند، تا بتوانند انرژی تولید شده در برخوردهای با مادهی تاریک را اندازه بگیرند.
و در نهایت، صفحه‌‌های مایلار آشکارساز را جهت‌دار می‌کنند. هستههای طلا بعد از عبور از جنگل DNA مقداری انرژی خواهند داشت و هر صفحه باید هستههای دارای این میزان انرژی را جذب کند. هستههای با انرژی‌های بالاتر، مثلا آن‌هایی که به علت تابش‌های زمینه یا پرتوهای کیهانی جدا شده‌اند، باید از میان " صفحاتی" عبور کنند که آنها را شناسایی کرده و بیرون نگاه می‌دارند.
در دستگاهی که رو به یک سمت جهت‌گیری کند، ذرات مادهی تاریک به هسته‌ی طلا برخورد کرده و آن را به درون جنگل DNA می‌فرستند. اما در جهت دیگر هسته‌ی طلا به سمت صفحهی مایلار هل داده می‌شود، که در همان‌جا جذب خواهد شد. این است که می‌گوییم آشکارساز جهت‌دار است.
و این امکان وجود خواهد داشت که بتوان تغییرات روزانه‌ی سیگنال‌ها را مطالعه کرد و دشواری‌های این کار بسیار کمتر می‌شوند.
اما عملی کردن این ایده‌ی جذاب چندان ساده نیست.
ابتدا اینکه، هیچ‌کس نمی‌داند هستههای به شدت یونیده و در حرکت طلا چگونه با نوارهای DNA و درواقع جنگل آنها برهم‌‌کنش دارند، و این یکی از آن چیزهایی‌ست که گروه پیش از ساختن آشکارساز، آن را مطالعه خواهد کرد.
دیگر آنکه ساختن نوارهای DNAای که به اندازه‌ی کافی دراز باشند ساده نیست. درواقع نوارها باید یک جنگل درست و حسابی برای هسته‌ی طلا ایجاد کنند تا از میان آن رد شود. چارچ، فریز و همکاران میگویند که نوارهایی ده هزار واحدی لازم است، تا جنگلی بسازند که به طور کامل انرژی هسته‌ی طلا را جذب کند.
اما آرایه‌های غیر لایه‌ای نوارهای DNA، دویست و پنجاه واحدی یا کمی بیشترند. این گروه میگویند که احتمالا ً باید نوارهایی هزار واحدی بسازند.
نوارهای DNA هم‌چنین باید راست رو به پایین بمانند و به بالا فر نخورند. در یک سطح تقریبا ً مترمربعی که آشکارساز پوشش می‌دهد این مشکل بزرگی خواهد بود. در این مقیاس میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی بر گرانش غلبه می‌کنند و همین اشکال ایجاد میکند.
بنا بر این گروه باید نوعی " شانه" ی DNA بسازد که تارها را صاف کند. یک راه این است که آهن‌ربایی کوچک به سر آزاد وصل کنند که به سمت پایین کشیده شود.
نوارهای DNA باید از کربن 12 و 13 ساخته شوند، چرا که کربن 14 به صورت طبیعی پرتوزا است و میتواند عامل پس زمینه‌ای مزاحم تولید کند.
در آخر، ساخت آرایه‌ای یک مترمکعبی از DNAها، سینی جمع‌آوری نوارهای DNAو سر‌هم کردن همه‌ی این‌ها در یک آشکارساز، بسیار دشوار خواهد بود.
این رهیافت مملو از ناشناخته‌ها ست و این میزان خطر کردن را بالا می‌برد. اما ساخت و بهره‌برداری طراحیهای دیگر نیز بسیار عظیم، پیچیده و پر هزینه‌اند و همین است که ارزش نهانی این روش را بالا می‌برد.
یابندگان مادهی تاریک از گزینه‌های دریافت نوبل بوده‌اند؛ اعتباری که به خطر انداخته‌اند بیانگر اعتقادی‌ست که به این موضوع دارند.
اما باید محتاط بود؛ یک گروه کوچک اما پر تلاش از فیزیک‌دانان میگویند که مادهی تاریک وجود ندارد و میتوان روش‌های بهتری برای توضیح ساختار کهکشان‌ها به کار برد.
اگر این نظریه درست باشد، روزی به این تلاش‌ها به همان چشمی نگاه خواهیم کرد که امروزه جستجوی فلوژیستون (مایهی آتش) یا بحث پیرامون زندگی در شکل‌های کوچکتر به نظر می‌رسد: یک ماجراجویی نسبتا ً سرگرم‌کننده که به بن‌بست رسیده‌است.
منبع:
http://www.technologyreview.com/view/428391/revolutionary-dna-tracking-chamber-could-detect/?ref=rss
مرجع:
arxiv.org/abs/1206.6809 (http://arxiv.org/abs/1206.6809): New Dark Matter Detectors using DNA for Nanometer Tracking
http://psi.ir/upload/news/1391/hushmandi/1.jpg
در علم نوین مطالعه‌ی مادهی تاریک بسیار جنجال‌برانگیز است.
همان‌طور که از نامش برمی‌آید، فیزیک‌دانان نمی‌توانند این ماده را ببینند؛ ولی وجود آن را درک می‌کنند چرا که اثر گرانشی آن بر ساختار کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی دیده می‌شود، و این یعنی جهان از مادهی تاریک پر شده است، آن هم بسیار بیشتر از هر آنچه که دیده می‌شود.
اگر این دیدگاه درست باشد، باید کهکشان و منظومه‌ی شمسی ما نیز از مادهی تاریک پر شده باشند. یعنی وقتی خورشید به سمت صورت فلکی دجاجه حرکت میکند، درواقع راهش را با شخم زدن این ماده، باز میکند.
گروه‌های بسیاری برای آشکارسازی این ماده در رقابتند، آن هم با آشکارسازهایی گران‌قیمت و در غارهای عمیق زیرزمینی؛ چرا که تابش‌های موجود ممکن است سیگنال‌ها را تحت‌الشعاع قرار دهند.
این دست آزمایش‌ها به دنبال نشانه‌ای ویژه هستند که تصور می‌شود مادهی تاریک، با حرکت زمین تولید میکند؛ در نیمی از سال که زمین در مادهی تاریک پیش می‌رود، این ماده جریان مخالف تولید میکند و در نیمه‌ی دیگر سال جریان موافق.
در شرایطی که بسیاری دانشمندان چیزی مشاهده نکردهاند، گروه‌هایی هم هستند که ادعا می‌کنند، نشانه‌هایی دیدهاند.
اما یک راه مستقیم نیز وجود دارد که میتوان مشاهدات را بهتر کرد؛ درواقع سیگنال‌های مادهی تاریک تغییر می‌کنند، نه تنها در طول یک سال که حتی در طول یک روز، که علتش چرخیدن زمین است.
جریان مخالف مادهی تاریک باید از سوی دجاجه بیاید؛ در نتیجه یک آشکارساز خوب باید تغییر جهتی که به علت چرخش زمین است، را تشخیص دهد.
مشکلی که وجود دارد این است که تا امروز یک آشکارساز ساخته نشده است که مستقیما ً مادهی تاریک را ببیند.
همین است که یک ایده‌ی انقلابی از طرف یک گروه نامتعارف فیزیک‌دانان و زیست‌شناسان همه را هیجان‌زده کرده است. در این گروه افراد متفاوتی گرد هم آمدهاند؛ مانند کاترین فریز از دانشگاه میشیگان در آنآربور، یک اخترفیزیک‌دان و از صاحب نظران مادهی تاریک، و جورج چرچ از دانشگاه هاروارد در کمبریج، یک نسل‌شناس و از پیش‌گامان شاخه‌ی توالی ژنوم‌ها.
این گروه میگویند که می‌توانند بر مشکلات مرسوم در آشکارسازی مادهی تاریک غلبه کنند آن هم تنها با استفاده از DNA؛ که نقشش تعیین مکان ذرات مادهی تاریک خواهد بود.
درواقع آشکارساز آنها بسیار ناشناخته است؛ دستگاه از یک صفحهی نازک طلا ساخته شده که رشته‌هایی از DNAهای تک‌نواری از آن آویزانند، مانند مانع‌های متوالی یا یک جنگل آویزان. تمام رشته‌های DNA مشابهند مگر در یک نشانه که در انتهای آزاد هر کدام قرار دارد و به شکلی نشانگر این است که کجای صفحهی طلا قرار دارند.
ایده این است که ذرات مادهی تاریک با هستههای سنگین طلا برخورد و در صفحهی طلا و به دنبالش در جنگل DNA مسیری باز می‌کنند. هستههای طلا همین که آزاد شوند رشته‌های DNA را جدا می‌کنند و راه باریکی در میان جنگل باز می‌شود.
این رشتهها در یک سینی می‌ریزند که حدودا ً هر یک ساعت یک‌بار تعویض خواهد شد. میتوان با فرایندهای زنجیره‌ای پلیمراز، این رشتهها را تکثیر و سیگنال‌ها را تا میلیاردها مرتبه بزرگ کرد.
توالی و مکان هر رشته شناخته شده است؛ پس میتوان مستقیما ً تعیین کرد که هرکدام از چه نقطه‌ای جدا شده‌اند، و این یعنی ما قادر خواهیم بود مسیر ذرات طلا را با دقت نانومتری تعیین کنیم.
کل آشکارساز از چند صد یا هزاران صفحهی اینچنینی ساخته شده است که مانند برگه‌های یک کتاب میان دو صفحهی مایلار (پلی استر مقاومی که در ساخت نوارهای صوتی به کار می‌رود.) ساندویچ شده‌اند. برای ساختن آشکارسازی به اندازه‌ی یک جعبهی چای، در حدود یک کیلوگرم طلا و صد گرم DNA تک‌نواری لازم است.
این طراحی چندین مزیت دارد؛ ابتدا اینکه توالی DNA کمک میکند که موقعیت عمودی برش را نیز تعیین کنیم آن هم تا دقتی به اندازه‌ی یک هسته. این نوع وضوح نانومتری چندین مرتبه بهتر از آن چیزی‌ست که امروزه ممکن است.
دوم آنکه، این آشکارساز در دمای اتاق کار میکند؛ برخلاف طراحیهای دیگر که باید سرد شوند، تا بتوانند انرژی تولید شده در برخوردهای با مادهی تاریک را اندازه بگیرند.
و در نهایت، صفحه‌‌های مایلار آشکارساز را جهت‌دار می‌کنند. هستههای طلا بعد از عبور از جنگل DNA مقداری انرژی خواهند داشت و هر صفحه باید هستههای دارای این میزان انرژی را جذب کند. هستههای با انرژی‌های بالاتر، مثلا آن‌هایی که به علت تابش‌های زمینه یا پرتوهای کیهانی جدا شده‌اند، باید از میان " صفحاتی" عبور کنند که آنها را شناسایی کرده و بیرون نگاه می‌دارند.
در دستگاهی که رو به یک سمت جهت‌گیری کند، ذرات مادهی تاریک به هسته‌ی طلا برخورد کرده و آن را به درون جنگل DNA می‌فرستند. اما در جهت دیگر هسته‌ی طلا به سمت صفحهی مایلار هل داده می‌شود، که در همان‌جا جذب خواهد شد. این است که می‌گوییم آشکارساز جهت‌دار است.
و این امکان وجود خواهد داشت که بتوان تغییرات روزانه‌ی سیگنال‌ها را مطالعه کرد و دشواری‌های این کار بسیار کمتر می‌شوند.
اما عملی کردن این ایده‌ی جذاب چندان ساده نیست.
ابتدا اینکه، هیچ‌کس نمی‌داند هستههای به شدت یونیده و در حرکت طلا چگونه با نوارهای DNA و درواقع جنگل آنها برهم‌‌کنش دارند، و این یکی از آن چیزهایی‌ست که گروه پیش از ساختن آشکارساز، آن را مطالعه خواهد کرد.
دیگر آنکه ساختن نوارهای DNAای که به اندازه‌ی کافی دراز باشند ساده نیست. درواقع نوارها باید یک جنگل درست و حسابی برای هسته‌ی طلا ایجاد کنند تا از میان آن رد شود. چارچ، فریز و همکاران میگویند که نوارهایی ده هزار واحدی لازم است، تا جنگلی بسازند که به طور کامل انرژی هسته‌ی طلا را جذب کند.
اما آرایه‌های غیر لایه‌ای نوارهای DNA، دویست و پنجاه واحدی یا کمی بیشترند. این گروه میگویند که احتمالا ً باید نوارهایی هزار واحدی بسازند.
نوارهای DNA هم‌چنین باید راست رو به پایین بمانند و به بالا فر نخورند. در یک سطح تقریبا ً مترمربعی که آشکارساز پوشش می‌دهد این مشکل بزرگی خواهد بود. در این مقیاس میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی بر گرانش غلبه می‌کنند و همین اشکال ایجاد میکند.
بنا بر این گروه باید نوعی " شانه" ی DNA بسازد که تارها را صاف کند. یک راه این است که آهن‌ربایی کوچک به سر آزاد وصل کنند که به سمت پایین کشیده شود.
نوارهای DNA باید از کربن 12 و 13 ساخته شوند، چرا که کربن 14 به صورت طبیعی پرتوزا است و میتواند عامل پس زمینه‌ای مزاحم تولید کند.
در آخر، ساخت آرایه‌ای یک مترمکعبی از DNAها، سینی جمع‌آوری نوارهای DNAو سر‌هم کردن همه‌ی این‌ها در یک آشکارساز، بسیار دشوار خواهد بود.
این رهیافت مملو از ناشناخته‌ها ست و این میزان خطر کردن را بالا می‌برد. اما ساخت و بهره‌برداری طراحیهای دیگر نیز بسیار عظیم، پیچیده و پر هزینه‌اند و همین است که ارزش نهانی این روش را بالا می‌برد.
یابندگان مادهی تاریک از گزینه‌های دریافت نوبل بوده‌اند؛ اعتباری که به خطر انداخته‌اند بیانگر اعتقادی‌ست که به این موضوع دارند.
اما باید محتاط بود؛ یک گروه کوچک اما پر تلاش از فیزیک‌دانان میگویند که مادهی تاریک وجود ندارد و میتوان روش‌های بهتری برای توضیح ساختار کهکشان‌ها به کار برد.
اگر این نظریه درست باشد، روزی به این تلاش‌ها به همان چشمی نگاه خواهیم کرد که امروزه جستجوی فلوژیستون (مایهی آتش) یا بحث پیرامون زندگی در شکل‌های کوچکتر به نظر می‌رسد: یک ماجراجویی نسبتا ً سرگرم‌کننده که به بن‌بست رسیده‌است.
منبع:
http://www.technologyreview.com/view/428391/revolutionary-dna-tracking-chamber-could-detect/?ref=rss
مرجع:
arxiv.org/abs/1206.6809 (http://arxiv.org/abs/1206.6809): New Dark Matter Detectors using DNA for Nanometer Tracking