Mørket for enden af ​​tunnelen

Buret, som elevatoren kaldes, forlader præcis kl. 7:30. Latecomers er uden held.

Næsten to dusin mennesker i overalls, hårde hatte og tykke gummistøvler pakker inde i buret, før de tunge gule metaldøre lukkes og den langsomme nedstigning i mørket begynder. En jævn vandstrøm regner ned over dem fra tømmerplankerne, der støtter elevatorskakten, som skal holdes konstant våd for at forhindre råd. Ingen synes at have noget imod det. Talen handler om familieliv, weekendplaner og hvad der er til frokost.

Cirka 10 minutter senere, næsten en kilometer nede, liften dunker til et stop. Når dørene åbnes, du træder ind i en hule med ru klippevægge.

Indtil 2002, dette var en fungerende guldmine i South Dakotas Black Hills. Minearbejdere sprængte engang klippevæggene med sprængstof. Skinnesporene under fødderne bar vogne lastet med forsyninger op til overfladen. Nu bliver de brugt til at sende minitog med udstyr og personale dybt ind i tunnellerne, der strækker sig i alle retninger.

Et stykke ned ad den ene gang er et rent rum, hvor du skal skifte dine overalls, vask dine støvler og rengør dine ejendele med sprit. Når du går længere, det begynder at føles mere som en almindelig - men uden vindue - arbejdsplads. Slangen løber over hovedet og langs væggene. Skriveborde presser op mod den ene side af gangen. Der er endda en espressomaskine og en panini maker.

For enden af ​​gangen, et par døre svinger op for at afsløre et videnskabeligt laboratorium, Davis Campus ved Sanford Underground Research Facility. Det er opkaldt efter Ray Davis, den første fysiker, der eksperimentelt opdagede neutrinoer udsendt fra solen. I 1960'erne, mens minen stadig var en mine, Davis udførte sit banebrydende arbejde hernede. I dag, rummet ligner en skurks ly i en gammel James Bond -film. Forskere haster rundt, kontrol af udstyr og skærme. Computere stablet oven på hinanden brummer.

Det er her Brandeis fysiker Bjoern Penning og hans laboratorium, sammen med 250 andre forskere fra hele verden, søger efter den ultimative skat i partikelfysik - mørkt stof. Et af de mest undvigende, men allestedsnærværende stoffer i universet, mørkt stof er fortsat et af de store videnskabelige mysterier.

Men Penning og hans medforskere kan være ved at knække det.

Regerer WIMPS universet?

I 1920'erne, arbejder oven på Mount Wilson i det sydlige Californien, ved hjælp af det, der dengang var verdens mest kraftfulde teleskop, Caltech-astronomen Fritz Zwicky lagde mærke til noget ejendommeligt ved galaksernes bevægelse hundredvis af millioner lysår væk.

Stjernerne, den schweizisk fødte Zwicky studerede, var en del af en galaksegruppe kendt som koma-klyngen. Coma -klyngens galakser roterer rundt om dens centrum, meget ligesom vores solsystems planeter roterer rundt om solen. Gennem omhyggeligt arbejde, Zwicky beregnede massen af ​​Comas midterste galakser for at bestemme den tyngdekraft, de udøvede; jo større masse, jo større tyngdekraft.

Zwicky opdagede snart, at hans tal ikke var tilfældet. Massen af ​​midtergalakserne var ikke stor nok til at generere tyngdekraft nok til at holde de perifere galakser i kredsløb med dem. De perifere galakser burde have brudt sig fri af koma og gået ud i rummet.

Der var kun en konklusion. Der skal være ekstra masse i Coma -systemet for at holde alle galakser sammen, masse, der ikke kommer fra stjernerne selv, men fra rummet mellem dem, skjult for synet af rumets sorthed. På en konference i 1933, Zwicky teoretiserede, at dette ukendte stof var Dunkle Materie, eller mørkt stof.

Zwickys teori blev straks glemt i de næste 40 år. Derefter, i 1970'erne, Den amerikanske astronom Vera Rubin udførte beregninger svarende til Zwickys på Andromeda -galaksen. Gnide i, en af ​​de få kvinder inden for sit felt, arbejdede på det sydlige Californiens Palomar -observatorium (hvor hun skulle vedhæfte en kontur af et nederdel til mandsikonet på en toilettedør for at oprette et kvinders toilet). Hendes resultater bekræftede, hvad Zwicky havde fundet, genoplive sin mørke stofteori.

Efterfølgende undersøgelser fødte en ny bevidsthed om, hvor lidt vi ved om universet. Atomer, det viser sig, tegner sig for mindre end 5% af alt stof. Mørkt stof tegner sig for 27%. Resten af ​​universet består af et lige så mystisk stof kaldet mørk energi.

Forskere mener, at mørkt stof sandsynligvis består af subatomære partikler kaldet WIMP'er, svagt interagerende massive partikler. WIMP'er stammer fra det tidlige univers sammen med de fleste andre former for stof, som består af partikler trukket sammen af ​​kræfter som elektromagnetisme. I modsætning til disse partikler, WIMP'er er ensomme. De tiltrækkes hovedsageligt af andre partikler af tyngdekraften, en utrolig svag binding i forhold til de andre kræfter, der virker på materie i universet.

Selvom WIMP'er er rundt omkring os, de tiltrækkes ikke af de atomer, der udgør vores kroppe. Som spøgelser, milliarder af WIMP'er passerer gennem os hvert sekund uden vi nogensinde ved det.

Når WIMP'er styrter ind i et atom, de producerer en unik, meget svagt signal. Hvis søgen efter mørkt stof blev udført over jorden, dette signal ville blive druknet af den kosmiske stråling fra solen, eller blive slynget i vores retning ved at kollapse eller kollidere stjerner.

Det er derfor, SURFs forskning i mørke sager udføres i en forladt mine under jorden. Sten og snavs ovenfor reducerer den kosmiske stråling med en faktor 1 milliard. Flere andre store videnskabelige eksperimenter er også i gang på SURF, som drives af South Dakota Science and Technology Authority, og finansieret af det amerikanske energiministerium, staten South Dakota og private donationer. På trods af alt snavs, støv og sten, denne forladte mine er, fra en partikelfysikers synspunkt, et ideelt "rent" miljø, hvor der kan udføres forskning.

Eliminerer det umulige

Penning, 41, sluttede sig til Brandeis i 2017. Han voksede op i Spaichingen, en lille by i det sydlige Tyskland i udkanten af ​​Schwarzwald. I en alder af 7, han modtog et teleskop til jul, rettede den mod stjernerne og var hooked. En passion for "Star Trek" fulgte naturligvis. "Da jeg vidste, at jeg ikke kunne blive en Starfleet -kaptajn, " han siger, "Jeg var nødt til at gøre, hvad Spock gør - videnskabelig officer."

På det nærliggende universitet i Freiburg, han studerede partikelfysik som både bachelor og ph.d. studerende. Hans forskning tog ham til Illinois for at studere på Fermilab, den førende partikelaccelerator i USA, hvor atomer smadres sammen tæt på lysets hastighed, så forskere kan analysere affaldet. Der, han mødte sin kone, Marcelle Soares-Santos, WHO, ligesom Penning, er nu adjunkt i fysik ved Brandeis.

Som fakultetsmedlem ved Englands University of Bristol i midten af ​​2010'erne, Penning arbejdede hos Schweiz Large Hadron Collider, en endnu større partikelaccelerator end Fermilab. Han var en del af teamet, der i 2012 bekræftede eksistensen af ​​Higgs -bosonen, partiklen, der giver alle andre partikler masse. Det var et stort gennembrud:Higgs var den sidste uopdagede subatomære partikel i den såkaldte standardmodel for partikelfysik, hvilken, færdiggjort i 1970'erne, er den hidtil mest komplette model for, hvordan universet fungerer.

Men selvom standardmodellen omfatter 17 forskellige partikler, herunder kvarker, leptoner og neutrinoer, det inkluderer ikke WIMP'er. Da Large Hadron Collider blev bygget for 11 år siden, forskere håbede, at det ville give tegn på partikler uden for standardmodellen. Det har den ikke, få nogle forskere til at tvivle på, at der findes WIMP'er, og i stedet, at tale om alternativer som aksioner, sterile neutrinoer og WIMPzillas.

I 2013, forskere annoncerede resultaterne af deres første forsøg på at finde mørkt stof. Det store underjordiske Xenon-eksperiment i mørkt stof, som det hed løb i tre et halvt år. Det kom ikke frem til noget.

Siden da, Penning og forskere fra universiteter og laboratorier rundt om i verden har revideret deres design og udviklet en ny detektor, LUX-ZEPLIN, næsten 1, 000 gange mere følsom end LUX. Penning siger, at den har en meget bedre chance for succes.

LUX-ZEPLIN-detektoren består af en række indlejrede sigter, hver designet til at filtrere forskellige subatomære partikler ud, således at, i det mindste i teorien, enhver partikel, der kommer til midten, er en WIMP. For at understrege logikken, Penning citerer Sherlock Holmes:"Når du har elimineret det umulige, hvad der er tilbage, dog usandsynligt, må være sandheden. "

Stadig under opbygning, den yderste sil er en 26-fods kar i rustfrit stål. Fordi vand blokerer passage af gammastråling og neutroner, 70, 000 gallons ultrarent vand vil blive hældt inde i beholderen for at forhindre disse partikler i at udvikle sig mod det indre.

En anden sigte blokerer neutroner, som er et særligt problem, da de fremkalder et svagt signal, der let kan forveksles med WIMP'er. Denne sigte består af 10 12 fods akryltanke suspenderet i vandet og fyldt med flydende gadolinium-neutroner klæber til gadoliniumatomer-og lineær alkylbenzen, en almindelig komponent i rengøringsprodukter.

Pennings team designede sensorerne, der omgiver akryltankene. De ligner kæmpestore K-kopper beklædt med hvide Tyvek. Når neutroner kommer i kontakt med gadoliniumatomer og bliver "fanget, "der udsendes fotoner. Sensorerne registrerer disse fotoner, hvilket signalerer at alt fungerer som planlagt, og at der ikke glider neutroner gennem gadoliniumbarrieren.

Eksperimentets inderste helligdom-pièce de résistance-er en 13 fods titaniumcylinder fyldt med flydende xenon. Nedsænket i vandet, cylinderen vil være omkranset af akryltanke.

Hvis forskernes teorier om WIMP'er er korrekte, så er xenon det planetariske element, der er bedst i stand til at detektere partikler af mørkt stof. Tæt pakket sammen, xenonatomer kan fange WIMP'er, frigive to lysglimt, der kan detekteres af sensorer i titaniumcylinderen for at lade forskere vide, at mørkt stof er fundet.

Som at bygge et skib inde i en flaske

I marts 2019, Penning og hans laboratorium var på SURF og arbejdede inde i detektorens rustfri stålbeholder, som var tom bortset fra titaniumcylinderen, der i sidste ende vil holde xenon. Penning -besætningen - postdoktor Ryan Wang, senior maskiningeniør Andrei Dushkin, kandidatstuderende Luke Korley og elektroingeniør Richard Studley-bygger stilladserne, der vil løbe rundt om den indre væg og holde de K-Cup-lignende sensorer Penning designet.

Brandeis -forskerne har kun foretaget en prøvekørsel ved hjælp af dummy -dele og -udstyr. Når detektoren tændes senere på året, alle de andre universiteter, der samarbejder om eksperimentet, vil have afsluttet deres del af installationsprocessen inde i containeren. Brandeis -besætningen, den sidste til at gå, vil kun have 3,5 fod mellem væggen og de andre videnskabsmænds apparat, der skal arbejdes i. Penning ligner det med at bygge et skib i en flaske, mens det er inde i flasken. Det kræver masser af øvelse.

De strenge renlighedsstandarder, der skal overholdes, gør opgaven særlig vanskelig. WIMP'er er så svage, at selv en støvstump kan skjule deres signal og smide sensorerne. Hvis Pennings hold falder så meget som et værktøj eller lader en skrue falde, gulvet kunne let spånes.

Så Penning -laboratoriet fungerer med en præcis rytme. Dushkin går op og ned af en stige, sammenboltning af stilladsets metalstænger. Korley rækker ham de værktøjer, han har brug for. Studley knæler på gulvet, ved hjælp af et laserniveau for at sikre, at stiverne flugter. De taler ikke meget. De ved præcis, hvad de skal gøre.

I mellemtiden, Studley arbejder også på et problem, gruppen vil stå over for i dagene før detektoren bliver operationel. De bliver nødt til at tage en stige med ind for at rejse stilladset. De vil arbejde sig rundt om cylinderen, indtil de kommer tilbage ved indgangen, en lille 3-fods bred portal. Men der er ikke plads nok til at skubbe stigen ud af portalen. Den eneste løsning er en skræddersyet stige, der kan klappes sammen eller kan skilles ad. Studley siger, at det er muligt, men han har ikke helt fundet ud af det endnu.

Mod slutningen af ​​dagen, alle begynder at lægge mærke til en grim stank, gerne rådne kål eller ildelugtende sokker. Penning siger, at det er som om en kæmpe brød vind.

Faktisk, det er en evakueringsøvelse. Nogle af de tunneler, hvor forskere arbejder, mangler elektricitet eller mobiltelefonmodtagelse. Den eneste måde at nå dem på er at frigive stankgas, som er naturgas med ikke -toksiske niveauer af den kemiske ethylmercaptan. Der er andre måder, hvorpå anlægget advarer folk - alarmer, e -mails og tekster - men stankgassen tilføjer et genialt ekstra sikkerhedsniveau. Selvom du ikke vidste, at det var meningen at udløse en evakuering, du ville være desperat efter at komme ud.

Stankgassen betyder, at arbejdet skal slutte for dagen. Buret foretager kun en returflyvning om eftermiddagen. Dagens skal være tidligt. Forskerne myldrer indeni og føres tilbage til overfladen.

Når SURFs detektor for mørkt stof bliver operationel, dens hundredvis af sensorer vil indsamle millioner af data hvert sekund, syv dage om ugen, 24 timer i døgnet, i de næste fem år. Forskerne vil overvåge resultaterne på deres computere tilbage på deres universiteter.

Hvis der opdages en WIMP, ingen alarmer lyder, ingen klokker ringer. Forskerne vil ganske enkelt bemærke en klynge af prikker på et spredningsdiagram. Resultaterne vil blive gennemgået, kontrolleret, dobbelttjekket og gennemgået af nogle af projektets hårdeste skeptikere. Skulle alt forløbe, vores forståelse af universet vil for altid blive forvandlet.

Ray Davis, der udførte sit arbejde dybt inde i den samme tunnel, der nu huser SURF, fortsatte med at vinde Nobelprisen i fysik. Hvis Penning og hans kolleger lykkes med deres indsats, de kunne slå det samme guld.

SURF-operationer er standset på grund af COVID-19-pandemien. Forskere forventer, at forsøget genstarter senere på sommeren.