Dunkle Schneisen in DNA-Wäldern

US-Forscher haben eine neue Konstruktion vorgeschlagen, um endlich Dunkle Materie zu detektieren. Das Gerät hätte eine enorme Empfindlichkeit, ist aber nicht leicht zu bauen.

Kaum etwas hält die moderne Physik so auf Trab wie die Suche nach der Dunklen Materie. Ihren Namen verdankt sie der Tatsache, dass sie bislang kein Physiker zu Gesicht bekommen hat. Dass sie existiert, schließen Wissenschaftler aus Anomalien in der Rotation von Galaxien, die mit „normaler“ Materie allein nicht zu erklären sind. Nach astronomischen Beobachtungen müsste es knapp sechs mal so viel Dunkle wie normale Materie geben.

Stimmt diese Hypothese, wäre auch unsere Milchstraße mit Dunkler Materie ausgefüllt. Unser Sonnensystem müsste sie auf ihrem Weg durchs All regelrecht durchpflügen. Diverse Forschungsgruppen versuchen deshalb mit teuren Detektoren in Höhlen – gut abgeschirmt gegen störende Strahlung aller Art –, Dunkle Materie aufzuspüren, die auf die Erde trifft.

Dabei, so die Hypothese, ändert sich periodisch die Richtung aus der die Dunkle Materie kommt. Wenn sich die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne auf das Sternbild Schwan zubewegt, würde die Dunkle Materie wie eine Art Gegenwind auf die Erde treffen. Bewegt sich die Erde in die entgegengesetzte Richtung, würden die Physiker einen „Dunklen Rückenwind“ verzeichnen. Ein paar Gruppen behaupten, zu dieser halbjährlichen Veränderung passende Signale gefunden zu haben, andere Gruppen hingegen bestreiten diese Ergebnisse vehement.

Berücksichtigt man, dass die Erde bei ihrer Rotation auch im Laufe des Tages ihre Stellung zur Front der Dunklen Materie ändert, müsste es zudem Signale geben, die im Halbtagesrhythmus schwanken. Mit einem „gerichteten Dunkle-Materie-Detektor“ ließen sich diese Signale vielleicht erfassen. Nur hat noch niemand einen solchen Detektor gebaut.

Eine Gruppe um Katherine Freese, Astrophysikern an der University of Michigan in Ann Arbor, und George Church, Genetiker an der Harvard University, hat nun einen kühnen Vorschlag unterbreitet, wie solch eine Apparatur aussehen könnte. Als Nachweismedium schlagen sie tatsächlich DNA vor. Genauer: Sehr lange Einzelstränge des Moleküls, das die biologische Erbinformation aller Lebewesen speichert.

Diese Einzelstränge sollen wie ein dichter Wald an einem Goldblech befestigt werden. Sie hätten dabei alle die identische Reihenfolge "genetischer Buchstaben", den Nukleotiden A, G, C und T – bis auf das freie Ende, dessen Buchstabenkombination die genaue Position eines Stranges auf dem Blech kodiert.

Angenommen, ein Dunkles Materieteilchen würde nun in das Goldblech krachen und einen Goldatomkern herausschlagen. Dann würde dieser Kern, wenn er von der richtigen Seite getroffen wird, eine Schneise durch den DNA-Wald schlagen. Die getroffenen DNA-Stränge fielen dann, so die Idee der Forscher, auf ein Auffangtablett, das stündlich geleert wird. Sie würden dann allesamt mittels der Polymerase-Kettenreaktion vervielfältigt, um ihr Positionsetikett verlässlich auslesen und damit ihre Position notieren zu können.

Der gesamte Detektor enthielte Tausende solcher DNA-Goldbleche, zwischen den jeweils Schichten aus dem reißfesten Kunststoff Mylar lägen. Er wäre ungefähr so groß wie eine Kiste mit einer Grundfläche von einem Quadratmeter und enthielte etwa ein Kilogramm Gold sowie 100 Gramm DNA.

Diese Konstruktion hätte in der Tat einige Vorzüge. Die Bahn des Goldatomkerns wäre mit Nanometer-Präzision vermessbar – um Größenordnungen genauer als andere heutige Detektoren. Zweitens würde die Anordnung bei Zimmertemperatur funktionieren, sie müsste nicht aufwendig heruntergekühlt werden wie andere Konstruktionen. Die Mylarschichten bewirken schließlich, dass der Detektor eine Vorzugsrichtung hat. Denn ein Goldatomkern, der in Richtung Mylarschicht weggeschlagen wird, bleibt in dieser einfach hängen. Das Signal einer „gefällten DNA-Schneise“ fehlt dann.

Je nachdem, wie sich die Erde zur Front der Dunklen Materie bewegt, müssten dann während einer Tageshälfte Signale auftreten und während der anderen nicht. Hochenergetische Teilchen aus der kosmischen Hintergrundstrahlung würden hingegen gleich mehrere Schichten durchschlagen, so dass ihr Signal von dem einer Kollision mit Dunklen Materieteilchen unterscheidbar wäre.

Aber natürlich steckt der Teufel im Detail. Bislang ist die Wechselwirkung zwischen schnellen Goldatomkernen und DNA nicht untersucht. Die wollen die US-Forscher nun anpacken. Des Weiteren sind sehr lange DNA-Einzelstränge mit 10.000 Nukleotiden vorgesehen, damit der DNA-Wald wirklich ein Hindernis für den Goldatomkern ist. Handelsübliche DNA-Stränge werden aber nur mit einer Länge von bis zu 250 Nukleotiden synthetisiert. Für den Anfang könnte das Michigan-Harvard-Gespann auch mit 1000-Nukleotid-Strängen arbeiten.

Ist dieses Problem gelöst, muss sichergestellt sein, dass die DNA-Stränge auch alle gerade und parallel vom Goldblech nach unten hängen. Elektrische und magnetische Wechselwirkungen könnten jedoch die Gravitationskraft auf den Strängen übertreffen und dazu führen, dass diese verfilzen oder sich kräuseln. Die Forscher müssten also noch eine Art „Kämm-Mechanismus“ miterfinden, der den DNA-Wald gleichmäßig ausrichtet. Gelänge das auf einer Fläche von einem Quadratmeter, müsste die ganze Konstruktion schließlich noch sicher in das Detektorgehäuse eingepasst werden. Um Störungen durch radioaktiven Zerfall zu minimieren, sollten die DNA-Stränge außerdem möglichst wenig Kohlenstoff-Atome des Isotops C-14 haben.

Ob Wissenschaftler all diese Anforderungen irgendwann meistern, weiß man nicht. Sollte es ihnen gelingen und sie auch noch die gesuchten Signale empfangen, wäre ihnen der Nobelpreis sicher.

Ob es überhaupt Dunkle Materie gibt, ist in der Physik-Gemeinde allerdings nicht unumstritten. Einige Physiker halten sie für ein wenig glückliches theoretisches Konstrukt. Vielleicht behalten diese Skeptiker recht, und der Lauf der Geschichte wird die Dunkle Materie als das „Phlogiston“ des 21. Jahrhunderts entlarven – eine amüsante Sackgasse der Forschung, die schließlich dank einer besseren, eleganteren Theorie aufgegeben wurde.

Das Paper:
Drukier, A. et al.: "New Dark Matter Detectors using DNA for Nanometer Tracking", arXiv.org, 28.6.2012 (nbo)