14.07.2016

Доцент физического факультета НГУ Зураб Силагадзе и выпускница университета Ольга Чащина (École Polytechnique) исследовали способность гипотетически существующих крупинок тёмной материи — зеркальных микрометеоритов — вызывать мутации ДНК, приводящие к раковым заболеваниям.

Статья Ольги Чащиной и Зураба Силагадзе Dark matter as a cancer hazard, опубликованная в июльском номере Physics Letters B, является ответом на вышедшую в 2012 году работу профессора Центра теоретической физики университета Мичигана Кэтрин Фриз и постдока Стокгольмского университета Кристофера Саваджа Dark matter collisions with the human body.

В своем исследовании Кэтрин Фриз и Кристофер Савадж в качестве «частицы-кандидата» тёмной материи рассматривают вимп (гипотетически существующую массивную частицу, подверженную слабым взаимодействиям) и его столкновения с ядрами атомов в теле человека. Учёные проводили расчеты, исходя из известных характеристик вимпов, взяв за «мишень» тело массой 70 кг, состоящее в основном из атомов кислорода, водорода, углерода и азота. Расчеты показали, что наиболее вероятно частицы тёмной материи будут сталкиваться с ядрами кислорода и водорода, и количество столкновений может достигать 100 тысяч в год. Однако в работе подчеркивается, что такое взаимодействие в целом безопасно для человека, в частности, потому что при столкновениях выделяется сравнительно небольшое количество энергии (около 10 кЭв).

Учёные из Новосибирского государственного университета и École Polytechnique решили посмотреть на вопрос вероятности и последствий столкновения частиц тёмной материи с организмом с другой стороны и исследовали весьма экзотический случай — взаимодействие зеркальных микрометеоритов с ДНК (зеркальные метеориты — скопления зеркальных частиц).

Теория существования зеркальной материи появилась в середине 20-го века. Физики Цзундао Ли и Чженьнин Янг выяснили, что при слабых взаимодействиях между частицами нарушается пространственная четность.

Пространственная четность (P) — свойство какой-либо величины менять или не менять знак при инверсии пространственных координат. Пространственная четность сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях и не сохраняется в слабых взаимодействиях.

Согласно гипотезе, выдвинутой физиками, если бы для каждой элементарной частицы, существующей в «нашем» мире, существовала своя зеркальная частица, это объясняло бы нарушение «симметрии между правым и левым». За исследование нарушения P-четности Ли и Янг получили Нобелевскую премию в 1957 году.

Спустя некоторое время советский физик Лев Ландау предположил, что симметрию между правым и левым, нарушение которой наблюдается в слабых взаимодействиях, можно восстановить без зеркальных частиц, если сохраняется CP-четность (комбинированная четность — произведение зарядовой и пространственной четностей). Но эксперименты показали, что CP-четность тоже не сохраняется. Тогда советские физики Игорь Кобзарев, Лев Окунь и Исаак Померанчук, развивая идеи Ландау, вернулись к гипотезе Ли и Янга о зеркальных частицах и усовершенствовали ее. Термины «зеркальные частицы» и «зеркальное вещество» впервые были введены именно в их работе.

На сегодняшний день исследованиями в области зеркальной материи занимается небольшая группа учёных, в числе которых — Роберт Фут, Зураб Бережиани, Фабрицио Нести, Сергей Блинников.


Количество вещества во Вселенной больше, чем мы наблюдаем. В существовании тёмной материи уже, наверное, никто не сомневается, другое дело, что кандидаты на место частиц темной материи пока не зарегистрированы. Зеркальная материя — это как бы зеркальный «аналог» электронов, протонов, фотонов, благодаря которым можно было бы объяснить нарушение симметрии между левым и правым на микроскопическом уровне. Например, у нейтрино есть только левое состояние, в случае существования зеркальной материи ему бы соответствовало не антинейтрино с правым состоянием, а правое «зеркальное» нейтрино, и симметрия бы сохранялась, — объясняет доцент физического факультета НГУ Зураб Силагадзе.

По сути, зеркальная материя является одной из возможных форм тёмной материи. Теория предполагает, что зеркальные частицы взаимодействуют с материей путем гравитации, а также смешивания фотонов. Правда, вероятность смешивания «наших фотонов», переносчиков электромагнитного взаимодействия, и зеркальных фотонов очень невелика. В результате этого смешивания зеркальные электроны и протоны приобретают обычный электрический заряд — порядка 10-9 от их зеркальных электрических зарядов.

По словам Зураба Силагадзе, выводы, представленные в статье, «работают» при трех условиях: если существует зеркальная материя; если есть смешивание между зеркальным фотоном и обычным фотоном; если зеркальная пыль находится в околоземном пространстве (скорость зеркальных микрометеоритов при прохождении сквозь земную атмосферу практически не претерпевает изменений и составляет 11–70 км/с). Согласно оценкам, через атмосферу проходит не более 300 кг зеркальных микрометеоритов в год.

ДНК человека содержит порядка 1011 ядер. Физики из НГУ рассчитали, что даже при низкой вероятности смешивания один зеркальный микрометеорит при «встрече» с ДНК способен при потере своей энергии привести в возбужденное состояние порядка 100 нуклеотидов — этого достаточно, чтобы связи в цепочке ДНК разорвались и возникли множественные мутации. Для вытеснения атомов органических молекул микрометеоритами в связях ДНК достаточно очень малого количества энергии — всего в 0,1–10 эВ.

В статье отмечается, что есть доказательства того, что злокачественные клетки в опухолях содержат тысячи случайных мутаций, и объяснить это можно тем, что механизмы восстановления участков ДНК также были повреждены.

Возможно, зеркальные микрометеориты — гораздо более опасные канцерогены, чем другие природные источники излучения.

Однако, отмечает Зураб Силагадзе, людям не стоит опасаться бомбардировок зеркальными микрометеоритами — похоже, организм оказывается сильнее этого:

Результаты проведенных нами расчетов необязательно означают, что столкновение микрометеоритов с человеком приводит к раку. Мутации происходят непрерывно, и у организмов есть защита, распознающая поврежденные клетки и восстанавливающая их. Если жизнь на Земле существует уже миллиарды лет, значит, эта защита работает.

Авторы указывают, что множественные одновременные мутаций могут приводить к эволюционному «скачку», так что, возможно, в будущем будет доказана важная роль зеркальной материи в редких эволюционных событиях, если окажется, что она действительно существует.

Анастасия Аникина
Изображения: «Наука и жизнь»; Laura Williams

Последняя редакция: 15.07.2016 13:49