Buren, som hissen heter, går exakt 07:30. Senkomlingar har ingen tur.

Nästan två dussin personer i overaller, hårda hattar och tjocka gummistövlar packar in i buren innan de tunga gula metalldörrarna dras igen och den långsamma nedstigningen in i mörkret börjar. En stadig ström av vatten regnar ner över dem från timmerplankorna som stödjer hisschaktet, som måste hållas kontinuerligt våt för att förhindra röta. Ingen verkar ha något emot det. Samtalet handlar om familjeliv, helgplaner och vad som är till lunch.

Cirka 10 minuter senare, nästan en mil ner, hissen dunkar till stopp. När dörrarna öppnas, du kliver in i en grotta med grova klippväggar.

Fram till 2002, detta var en fungerande guldgruva i South Dakotas Black Hills. Gruvarbetare sprängde en gång bergväggarna med sprängämnen. Rälsspåren under fötterna bar vagnar lastade med förnödenheter upp till ytan. Nu används de för att skicka minitåg med utrustning och personal djupt in i tunnlarna som sträcker sig åt alla håll.

En bit ner i en korridor finns ett rent rum där du måste byta överdrag, tvätta dina stövlar och rengöra dina ägodelar med tvättsprit. När du går längre, det börjar kännas mer som en vanlig – om än fönsterlös – arbetsplats. Slangen löper ovanför och längs väggarna. Skrivbord trycks upp mot ena sidan av korridoren. Det finns till och med en espressomaskin och en paninibryggare.

I slutet av korridoren, ett par dörrar öppnas för att avslöja ett vetenskapligt laboratorium, Davis Campus vid Sanford Underground Research Facility. Den är uppkallad efter Ray Davis, den första fysikern som experimentellt upptäckt neutriner som sänds ut från solen. På 1960-talet medan gruvan fortfarande var en gruva, Davis utförde sitt banbrytande arbete här nere. I dag, utrymmet liknar en skurks lya i en gammal James Bond-film. Forskare rusar runt, kontroll av utrustning och monitorer. Datorer staplade ovanpå varandra brummar.

Det är här Brandeis-fysikern Bjoern Penning och hans labb, tillsammans med 250 andra forskare från hela världen, letar efter den ultimata skatten inom partikelfysik – mörk materia. En av de mest svårfångade men allestädes närvarande substanserna i universum, mörk materia förblir ett av de stora vetenskapliga mysterierna.

Men Penning och hans forskarkollegor kan vara på väg att knäcka det.

Styr WIMPS universum?

På 1920-talet arbetar på toppen av Mount Wilson i södra Kalifornien, med det som då var världens mest kraftfulla teleskop, Caltech-astronomen Fritz Zwicky lade märke till något märkligt med rörelsen hos galaxer hundratals miljoner ljusår bort.

Stjärnorna som den schweiziskfödde Zwicky studerade var en del av en galaxgrupp känd som Coma Cluster. Komaklustrets galaxer roterar runt dess centrum, ungefär som vårt solsystems planeter roterar runt solen. Genom mödosamt arbete, Zwicky beräknade massan av Comas centrumgalaxer för att bestämma gravitationskraften de utövade; ju större massa, desto större gravitationskraft.

Zwicky upptäckte snart att hans siffror inte stämde. Massan av mittgalaxerna var inte tillräckligt stor för att generera tillräckligt med gravitation för att hålla de perifera galaxerna i omloppsbana med dem. De perifera galaxerna borde ha brutit sig loss från Coma och rusat ut i rymden.

Det var bara en slutsats. Det måste finnas ytterligare massa i Coma-systemet för att hålla ihop alla galaxer, massa som inte kommer från stjärnorna själva utan från utrymmet mellan dem, dold av rymdens svärta. Vid en konferens 1933, Zwicky teoretiserade att detta okända ämne var Dunkle Materie, eller mörk materia.

Zwickys teori glömdes genast bort under de kommande 40 åren. Sedan, på 1970-talet, Den amerikanska astronomen Vera Rubin utförde beräkningar liknande Zwickys på Andromedagalaxen. Gnid in, en av få kvinnor inom sitt område, arbetade på södra Kaliforniens Palomar Observatory (där hon var tvungen att fästa en kontur av en kjol till manikonen på en toalettdörr för att skapa ett damtoalett). Hennes resultat bekräftade vad Zwicky hade hittat, återuppliva sin mörka materia-teori.

Efterföljande studier födde en ny medvetenhet om hur lite vi vet om universum. Atomer, det visar sig, står för mindre än 5 % av allt material. Mörk materia står för 27 %. Resten av universum består av en lika mystisk substans som kallas mörk energi.

Forskare tror att mörk materia sannolikt består av subatomära partiklar som kallas WIMPs, svagt interagerande massiva partiklar. WIMPs har sitt ursprung i det tidiga universum tillsammans med de flesta andra former av materia, som består av partiklar som dras samman av krafter som elektromagnetism. Till skillnad från dessa partiklar, WIMPs är ensamvargar. De attraheras främst av andra partiklar av gravitationen, ett otroligt svagt band jämfört med de andra krafter som verkar på materia i universum.

Även om WIMPs finns runt omkring oss, de attraheras inte av atomerna som utgör våra kroppar. Som spöken, miljarder WIMPs passerar genom oss varje sekund utan att vi någonsin vet.

När WIMPs kraschar in i en atom, de producerar en unik, mycket svag signal. Om sökandet efter mörk materia utfördes ovan jord, denna signal skulle drunkna av den kosmiska strålningen som kommer från solen, eller att bli slungad i vår riktning av kollapsande eller kolliderande stjärnor.

Det är därför SURF:s forskning om mörk materia bedrivs i en övergiven gruva under jorden. Berget och smutsen ovanför minskar den kosmiska strålningen med en faktor på 1 miljard. Flera andra stora vetenskapliga experiment pågår också på SURF, som drivs av South Dakota Science and Technology Authority, och finansierat av det amerikanska energidepartementet, delstaten South Dakota och privata donationer. Trots all smuts, damm och flisande sten, denna övergivna gruva är, ur en partikelfysikers synvinkel, en idealiskt "ren" miljö för att bedriva forskning.

Att eliminera det omöjliga

Penning, 41, kom till Brandeis 2017. Han växte upp i Spaichingen, en liten stad i södra Tyskland i utkanten av Schwarzwald. Vid 7 års ålder, han fick ett teleskop i julklapp, riktade den mot stjärnorna och var fast. En passion för "Star Trek" följde naturligtvis. "Eftersom jag visste att jag inte kunde bli en Starfleet-kapten, " han säger, "Jag var tvungen att göra det som Spock gör - vetenskapsman."

Vid det närliggande universitetet i Freiburg, han studerade partikelfysik som både grundexamen och doktorand. studerande. Hans forskning tog honom till Illinois för att studera vid Fermilab, den främsta partikelacceleratorn i USA, där atomer slås samman med nära ljusets hastighet så att forskare kan analysera skräpet. Där, han träffade sin fru, Marcelle Soares-Santos, WHO, som Penning, är nu biträdande professor i fysik vid Brandeis.

Som fakultetsmedlem vid Englands University of Bristol i mitten av 2010-talet, Penning arbetade på schweiziska Large Hadron Collider, en ännu större partikelaccelerator än Fermilab. Han var en del av teamet som 2012 bekräftade existensen av Higgs-bosonen, partikeln som ger alla andra partiklar massa. Det var ett stort genombrott:Higgs var den sista oupptäckta subatomära partikeln i den så kallade standardmodellen för partikelfysik, som, avslutades på 1970-talet, är den mest kompletta modellen hittills av hur universum fungerar.

Men även om standardmodellen omfattar 17 olika partiklar, inklusive kvarkar, leptoner och neutriner, det inkluderar inte WIMPs. När Large Hadron Collider byggdes för 11 år sedan, forskare hoppades att det skulle ge bevis på partiklar utanför standardmodellen. det har det inte, vilket får vissa forskare att tvivla på att WIMP existerar och, istället, att prata om alternativ som axions, sterila neutrinos och WIMPzillas.

Under 2013, forskare tillkännagav resultaten av deras första försök att hitta mörk materia. Det stora underjordiska Xenon-experimentet med mörk materia, som det hette, sprang i tre och ett halvt år. Det kom inte fram till någonting.

Sedan dess, Penning och forskare från universitet och laboratorier runt om i världen har reviderat sin design och utvecklat en ny detektor, LUX-ZEPLIN, nästan 1, 000 gånger känsligare än LUX. Penning säger att det har en mycket bättre chans att lyckas.

LUX-ZEPLIN-detektorn består av en serie kapslade siktar, var och en utformad för att filtrera bort olika subatomära partiklar så att, åtminstone i teorin, alla partiklar som tar sig till mitten är en WIMP. För att understryka logiken, Penning citerar Sherlock Holmes:"När du har eliminerat det omöjliga, vad som än blir kvar, hur osannolikt det än är, måste vara sanningen."

Fortfarande under uppbyggnad, den yttersta sållen är en 26-fots kar av rostfritt stål. Eftersom vatten blockerar passagen av gammastrålning och neutroner, 70, 000 liter ultrarent vatten kommer att hällas in i karet för att hålla dessa partiklar från att fortskrida mot det inre.

En andra såll kommer att blockera neutroner, vilket är ett speciellt problem eftersom de inducerar en svag signal som lätt kan förväxlas med WIMPs. Denna sikt består av 10 12-fots akryltankar suspenderade i vattnet och fyllda med flytande gadolinium - neutroner fastnar på gadoliniumatomer - och linjär alkylbensen, en vanlig komponent i rengöringsprodukter.

Pennings team designade sensorerna som omger akryltankarna. De ser ut som gigantiska K-Cups mantlade i vit Tyvek. När neutroner kommer i kontakt med gadoliniumatomer och "fångas, " fotoner sänds ut. Sensorerna detekterar dessa fotoner, som signalerar att allt fungerar som planerat och inga neutroner glider genom gadoliniumbarriären.

Experimentets innersta helgedom – pièce de résistance – är en 13-fots titancylinder fylld med flytande xenon. Nedsänkt i vattnet, cylindern kommer att omges av akryltankarna.

Om forskarnas teorier om WIMPs är korrekta, då är xenon det planetariska element som bäst kan upptäcka mörk materia partiklar. Tätt packat ihop, xenonatomer kan fånga WIMPs, släpper ut två ljusblixtar som kan detekteras av sensorer i titancylindern för att låta forskarna veta att mörk materia har hittats.

Som att bygga ett skepp i en flaska

I mars 2019, Penning och hans labb arbetade på SURF inuti detektorns behållare av rostfritt stål, som var tom förutom titancylindern som så småningom kommer att hålla xenon. Penning-teamet – postdoktor Ryan Wang, senior maskiningenjör Andrei Dushkin, doktoranden Luke Korley och elektroingenjören Richard Studley – bygger byggnadsställningarna som ska löpa runt innerväggen och hålla de K-Cup-liknande sensorerna som Penning designade.

Brandeis-forskarna har bara gjort en provkörning med hjälp av dummydelar och utrustning. När detektorn slås på senare i år, alla andra universitet som samarbetar i experimentet kommer att ha slutfört sin del av installationsprocessen inuti behållaren. Brandeis besättning, den sista att gå, kommer att ha bara 3,5 fot mellan väggen och de andra forskarnas apparater att arbeta i. Penning liknar det med att bygga ett skepp i en flaska medan han är inne i flaskan. Det kräver mycket övning.

De strikta renlighetsnormerna som måste följas gör uppgiften särskilt svår. WIMPs är så svaga att även en dammfläck kan skymma deras signal och kasta av sig sensorerna. Om Pennings team så mycket som tappar ett verktyg eller låter en skruv falla, golvet kan lätt flisas.

Så Penning-labbet arbetar med en exakt rytm. Dushkin går upp och ner för en stege, bulta ihop ställningens metallstänger. Korley ger honom de verktyg han behöver. Studley knäböjer på golvet, använda en lasernivå för att säkerställa att strävorna är i linje. De pratar inte mycket. De vet precis vad de behöver göra.

Under tiden, Studley arbetar också med ett problem som gruppen kommer att möta dagarna innan detektorn tas i drift. De kommer att behöva ta med sig en stege inuti för att resa ställningen. De kommer att arbeta sig runt cylindern tills de kommer tillbaka vid ingången, en liten 3 fot bred portal. Men det kommer inte att finnas tillräckligt med utrymme för att trycka ut stegen från portalen. Den enda lösningen är en specialbyggd stege som är hopfällbar eller kan tas isär. Studley säger att det är genomförbart, men han har inte riktigt fattat det än.

Mot slutet av dagen, alla börjar märka en vidrig stank, som ruttnande kål eller illaluktande strumpor. Penning säger att det är som om en jätte bröt vind.

Faktiskt, det är en evakueringsövning. Vissa av tunnlarna där forskare arbetar saknar el eller mobiltelefonmottagning. Det enda sättet att nå dem är att släppa ut stankgas, som är naturgas med giftfria halter av kemikalien etylmerkaptan. Det finns andra sätt som anläggningen varnar människor på – larm, e-postmeddelanden och sms – men stankgasen ger en genialisk extra säkerhetsnivå. Även om du inte visste att det var tänkt att utlösa en evakuering, du skulle vara desperat att komma ut.

Stanken betyder att arbetet måste avslutas för dagen. The Cage gör bara en tur och retur på eftermiddagen. Dagens kommer att vara tidigt. Forskarna trängs in och bärs tillbaka till ytan.

När SURFs mörkmateriedetektor sätts i drift, dess hundratals sensorer kommer att samla in miljontals bitar av data varje sekund, sju dagar i veckan, 24 timmar per dygn, för de kommande fem åren. Forskarna kommer att övervaka resultaten på sina datorer på sina universitet.

Om en WIMP upptäcks, inga larm kommer att ljuda, inga klockor ringer. Forskarna kommer helt enkelt att lägga märke till ett kluster av prickar på ett spridningsdiagram. Resultaten kommer att granskas, kontrollerade, dubbelkollade och granskades av några av projektets tuffaste skeptiker. Skulle allt lösa sig, vår förståelse av universum kommer för alltid att förvandlas.

Ray Davis, som gjorde sitt arbete djupt inne i samma tunnel som nu huserar SURF, vann Nobelpriset i fysik. Om Penning och hans kollegor lyckas med sina ansträngningar, de kunde slå samma guld.

SURFs verksamhet är pausad på grund av covid-19-pandemin. Forskare förväntar sig att experimentet ska starta om senare i sommar.