I en övergiven guldgruva en mil under bly, South Dakota, kosmos tystnar nog för att potentiellt höra de svaga viskningarna av universums mest svårfångade material - mörk materia.

Skyddad från översvämningen av kosmiska strålar som hela tiden duschar jordens yta, och skuras av bullriga radioaktiva metaller och gaser, gruvan, forskare tror, kommer att vara den perfekta inställningen för det mest känsliga experimentet med mörk materia hittills. Känd som LUX-ZEPLIN, experimentet startar 2020 och kommer att lyssna efter en sällsynt kollision mellan en partikel av mörk materia med 10 ton flytande xenon.

Tio forskare från University of Wisconsin–Madison är involverade i att designa och testa detektorn, och ingår i ett team med mer än 200 forskare från 38 institutioner i fem länder som arbetar med projektet. Den här månaden, energidepartementet godkände de sista stadierna av montering och konstruktion av LZ vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota, med en total projektkostnad på 55 miljoner dollar. Ytterligare stöd kommer från internationella samarbetspartners i Storbritannien, Sydkorea och Portugal, samt South Dakota Science and Technology Authority. Forskarnas mål är att ta experimentet online så snabbt som möjligt för att tävla i ett globalt lopp för att vara först med att upptäcka mörk materia.

På 1930-talet som astronomer studerade rotationen av avlägsna galaxer, de märkte att det inte var tillräckligt med materia - stjärnor, planeter, het gas - för att hålla ihop galaxerna genom gravitationen. Det måste finnas lite extra massa som hjälpte till att binda ihop allt synligt material, men det var osynligt, saknas.

Mörk materia, forskare tror, omfattar den saknade massan, bidrar till en kraftfull gravitationell motvikt som hindrar galaxer från att flyga isär. Även om mörk materia hittills har visat sig vara omöjlig att upptäcka, det kan finnas mycket av det - ungefär fem gånger mer än vanlig materia.

"Partiklar av mörk materia kan vara här i rummet som strömmar genom ditt huvud, kanske stöter ibland på en av dina atomer, "säger Duncan Carlsmith, professor i fysik vid UW – Madison.

En föreslagen förklaring till mörk materia är svagt interagerande massiva partiklar, eller WIMP:er, partiklar som vanligtvis passerar oupptäckta genom normal materia men som kan, vid tillfälle, stöta på det. LZ -experimentet, och liknande projekt i Italien och Kina, är utformade för att upptäcka - eller utesluta - WIMP:er i sökandet efter att förklara detta spöklika material.

Detektorn är inställd som en enorm klocka som kan ringa som svar på den lättaste kranen från en partikel av mörk materia. Inbäddat i två yttre kammare avsedda att upptäcka och ta bort förorenande partiklar ligger en kammare fylld med 10 ton flytande xenon. Om en bit mörk materia stöter på en xenonatom, xenon kommer att kollidera med sina grannar, producerar en explosion av ultraviolett ljus och frigör elektroner.

Stunder senare, de fria elektronerna kommer att excitera xenongasen i toppen av kammaren och släppa en sekund, ljusare ljusskur. Mer än 500 fotomultiplikatorrör kommer att titta efter dessa signaler, som tillsammans kan skilja mellan en förorenande partikel och verkliga kollisioner med mörk materia.

Kimberly Palladino, en biträdande professor i fysik vid UW–Madison, och doktoranden Shaun Alsum ingick i forskargruppen för LUX, föregångaren till LZ, som satte rekord vid sökning efter WIMPs. Med utgångspunkt i deras erfarenheter från det föregående experimentet, Palladino, Alsum, doktorand Jonathan Nikoleyczik och forskare på grundnivå genomför simuleringar av kollisioner med mörk materia och prototyper partikeldetektorn för att öka känsligheten för LZ och strängare kasta signaler som produceras av vanlig materia.

LZ -projektet "gör vetenskap på det sätt du vill göra vetenskap, säger Palladino, förklara hur samarbetet ger tid, finansiering och expertis som behövs för att ta itu med grundläggande frågor om universums natur.

Framgången för LZ beror delvis på att utesluta förorenande material, inklusive reaktiva kemikalier och spårmängder av radioaktiva element, från xenon, som bygger på teknisk skicklighet från UW - Madisons fysikaliska vetenskaps laboratorium. Jeff Cherwinka, chefsingenjör för LZ -projektet och en PSL -maskiningenjör, övervakar monteringen av mörkmateriedetektorn i en speciell anläggning skurad av radioaktivt radon och designar ett system för att kontinuerligt ta bort gas som läcker ut ur xenonkammarens foder. Tillsammans med PSL -ingenjören Terry Benson, Cherwinka designar också xenon -lagringssystemet för att förhindra att radioaktiva element läcker in under transport och installation.

"Det är en av universitetets styrkor att vi har ingenjörs- och tillverkningsexpertisen för att bidra till dessa storskaliga projekt, " säger Cherwinka. "Det hjälper UW att få större andel i dessa projekt."

Under tiden, Carlsmith och Sridhara Dasu, också en UW – Madison professor i fysik, utformar beräkningssystem för att hantera och analysera data som kommer ut från detektorn för att vara redo att lyssna efter kollisioner med mörk materia så snart LZ slås på 2020. När den är i drift, LZ kommer snabbt att närma sig den grundläggande gränsen för dess detekteringskapacitet, bakgrundsljudet av partiklar som strömmar ut ur solen.

"Om ett år, om det inte finns några WIMP:er, eller om de interagerar för svagt, vi ser ingenting, "säger Carlsmith. Experimentet förväntas fungera i minst fem år för att bekräfta eventuella inledande observationer och sätta nya gränser för potentiella interaktioner mellan WIMP och vanligt material.

Andra experiment, inklusive Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center -projekt IceCube, HAWC, och CTA, söker efter signaturer av mörka materiens förintelsehändelser som oberoende och indirekta metoder för att undersöka den mörka materiens natur. Dessutom, UW–Madison-forskare arbetar vid Large Hadron Collider, söka efter bevis för att mörk materia produceras vid partikelkollisioner med hög energi. Denna kombination av ansträngningar ger den bästa möjligheten ännu för att avslöja mer om den mörka materiens natur, och med det utvecklingen och strukturen i vårt universum.