Mörk materia är det mystiska materialet som håller samman universum, ändå har ingen sett den; eller hört, luktade, smakade eller rörde på den heller.

Men det kan snart ändra sig, och ett laboratorium 1000 meter under marken i Stawell-guldgruvan halvvägs mellan Melbourne och Adelaide kan vara epicentrum för denna upptäckt.

Fysiker har haft ett bra försök nyligen med att upptäcka det till synes oupptäckbara. Först var det Higgs boson, bekräftades av experiment vid Large Hadron Collider 2012, nästan 50 år efter att det först föreslogs. Sedan 2015 hittade LIGO-detektorerna gravitationsvågor, ett sekel efter att Einstein förutspådde dem. Båda upptäckterna belönades med Nobelpriser.

Om allt går enligt planerna, under de närmaste åren kommer mörk materia att flytta från det hypotetiska till det observerbara, öppnar en ny era inom experimentell fysik, och ett stort steg mot en grundläggande teori om naturen.

Professor Elisabetta Barberio leder den australiensiska ansträngningen att upptäcka mörk materia, som chef för Center for Dark Matter Partikelfysik. Fysikern vid University of Melbourne säger att Australien är unikt positionerat för att bekräfta förekomsten av mörk materia.

Hur vet vi vad vi letar efter?

Det började med några enkla beräkningar baserade på Newtons tyngdlag.

"Om jag tittar på solsystemet, där är solen och alla planeter, och om jag vet hastigheten på en planet och dess avstånd från solen, Jag kan beräkna solens massa, säger professor Barberio.

"Vi kan göra samma sak med vår galax. Vi kan ta en stjärnas rörelse, och, att veta avståndet mellan stjärnan från galaxens centrum, vi kan beräkna hur mycket material det finns i galaxen.

"När vi gör den här beräkningen, mängden material som vi ser och mängden material som borde finnas där enligt våra beräkningar stämmer inte överens. Våra beräkningar säger att det finns mycket mer material i galaxen än vad vi kan se. Och det här är mörk materia."

Fysiker tror att mörk materia består av en ännu okänd fundamental partikel som inte har någon elektrisk laddning, producerar inte ljus, och interagerar inte särskilt mycket med någonting. Men de tror också att det kommer att finnas en och annan interaktion som vi kanske kan upptäcka, med rätt utrustning och rätt plats.

"Vi vet att det finns mycket mörk materia i galaxen – mellan 70 och 80 procent av materialet i galaxen är mörk materia, säger professor Barberio, "och så varje sekund korsas våra kroppar av miljarder av dessa partiklar av mörk materia som inte gör oss något. Vi är transparenta för dessa partiklar."

"Dock, vi tycker att mycket, Väldigt sällan, en mörk materia partikel interagerar med kärnan i en atom i ett material som vi kan se - det vi kallar normal materia."

Problemet är att andra saker också samverkar med atomkärnorna; särskilt kosmisk strålning och radioaktivitet.

"Sannolikheten att mörk materia interagerar med min kärna är en händelse per 10 kg material per dag, ", säger professor Barberio. "Sannolikheten att radioaktivitet eller kosmisk strålning interagerar med min kärna är 10 miljarder gånger per 10 kg material per dag."

Med andra ord, 1 av 10 miljarder av dessa interaktioner är mörk materia, vilket gör det omöjligt att skilja någon signal från bruset.

Går under jorden

För att förbättra dessa odds måste vi minska antalet andra interaktioner som inträffar. Det första steget är att gå under jorden – långt under jorden. Kosmiska strålar absorberas av sten så om du går tillräckligt djupt kan du minska dessa till nästan noll.

"Genom att gå under jorden har vi redan eliminerat några miljarder interaktioner, säger professor Barberio.

"Och då måste vi också eliminera all kvarvarande radioaktivitet i materialet vi bygger vår detektor av, för även om vi tar en banan in i vårt labb, det kommer att ha så mycket radioaktivitet att det kommer att bli några räkningar, några interaktioner, per dag, med mina kärnor, och det kommer att skugga mörk materia."

"Vi väljer rätt material, eller bygga ett material med mycket låg radioaktivitet, och sedan bygger vi vår detektor under jorden och vi börjar vänta, och räkna hur många gånger det är denna interaktion."

Det finns flera underjordiska mörk materiadetektorer, och man påstår sig till och med se mörk materia. Gran Sasso-laboratoriet, byggd inne i ett berg i Italien, spårar vad de säger är den årliga moduleringen av mörk materia som anländer till jorden.

När jorden går runt solen, dess hastighet i förhållande till galaxens centrum ändras. I juni färdas jorden runt galaxen med cirka 260 km per sekund, medan det i december är mer som 200 km per sekund. Därför skulle vi förvänta oss att jorden skulle drabbas av mer mörk materia i juni än i december. Och detta är vad Gran Sasso-teamet observerar i sina data.

"Om du är på en cykel och du går snabbare eller långsammare har du mer eller mindre vind, säger professor Barberio.

Australiens detektor för mörk materia

Säsongsförändringar, från sommar till vinter, kan också leda till en cykel i interaktionshastigheten på mörkmateriedetektorerna. Och det är här Australien kommer in.

För att ta bort detta potentiella fel, vi måste upprepa experimenten på södra halvklotet, där årstiderna vänds. Om vi ​​ser ett säsongsmönster, med en topp på sommaren och ett minimum på vintern, då måste uppgifterna från Italien tänkas om. Om vi ​​ser samma årliga mönster, dock, med en topp i juni och ett minimum i december, detta kan vara bevisen som slutligen bekräftar existensen av mörk materia.

Stawell-guldgruvan i västra Victoria är en av få platser i Australien som kan hysa en mörkmateriedetektor.

"Du måste hitta en mycket djup gruva eller ett mycket högt berg, säger professor Barberio.

"Vi har inte särskilt höga berg så vi behövde hitta en gruva. ​​Det finns väldigt få gruvor i Australien som har det nödvändiga djupet och den nödvändiga åtkomsten. Tack och lov, vi har stort stöd från gruvägarna och det lokala Stawell-samhället för vårt laboratorium."

Professor Barberios team hoppas att Stawell Underground Physics Laboratory ska vara igång i år. Det här kommer att vara den första mörkmateriedetektorn på södra halvklotet, och, i kombination med data från andra detektorer runt om i världen, kunde äntligen bekräfta existensen av mörk materia.