Fysikere går dypt på jakt etter mørk materie


En arbeidstaker ser inn i mørket i Sanford Underground Research Facilitys "4850-nivå", en grotte nesten en kilometer dyp i Homestake-minen som inneholder toppmoderne fysikkeksperimenter. Heisen som senker dem 4.850 meter ned en mineskaft til et underjordisk fysikklab, kalles ikke en heis, forteller fysikerne meg.

En arbeidstaker ser inn i mørket i Sanford Underground Research Facilitys "4850-nivå", en grotte nesten en kilometer dyp i Homestake-minen som inneholder toppmoderne fysikkeksperimenter.

Heisen som senker dem 4.850 meter ned en mineskaft til et underjordisk fysikklab, kalles ikke en heis, forteller fysikerne meg. Det kalles The Cage. Den går ned nøyaktig klokka 7:30 - samtidig forlater overflaten hver dag - og venter ikke på stragglers.

Jeg kommer opp i tide og forbereder meg til styret med en gruppe forskere. Vi ser identisk ut: i deksler blinged ut med reflekterende tape, stål-toed støvler, en nødpust maske og en lampe som klemmer til beltet og sløyfer over skulderen.

En operatør åpner den store gule døren, leder oss innvendig og lukker The Cage. Snart begynner det å støte ned til 500 fot per minutt. Operatørens forlygte gir det eneste lyset som sporer langs tømmeret som strekker akselen. Vi stiger ned i 10 minutter, og tyder på at tyngden på verden over oss øker. Vann som siver ned langs akselens vegger gir et foruroligende lydspor.

Dette stedet-Sanford Underground Research Facility (SURF) i Lead, SD-vert eksperimenter som bare kan gjennomføres dypt under jordens overflate. Entombed under Black Hills ved tusenvis av solid rock, er disse forsøkene skjermet fra mye av bakgrunnsstrålingen som bader planets overflate. Her kan forskere lettere oppdage ulike utryddelsesfulle kosmiske budbringere som ellers ville bli oversvømt av lyden og rasen på overflate nøytrinene som strømmer fra vår sol og fra fjerne eksploderende stjerner eller andre hypotetiske partikler som antas å gjøre opp den mystiske mørke saken som fungerer som en skjult hånd som styrer veksten av galakser. Slike partikler er så svake at de drukner ut over jorden: Leter etter dem er det litt som å se etter en spotlight som skinner fra solens overflate. Men disse er de svært partiklene forskerne må studere for å forstå hvordan vårt univers kom. Og så, fra jordens dyp hvor selv den aller nærmeste stjernen ikke skinner, glimker de noen av de eldgamle, fjerne og katastrofale aspektene av kosmos.

Dette stedet var ikke alltid vitenskaps-sentrert: I mer enn 100 år var labyrinten av dype rom og drippete, smussgulde tunneler en gullgruve som heter Homestake. I dag, tatt av mye av sin dyrebare malm, har anlegget blitt en figurativ gullgruve for forskere som USAs fremste underjordiske laboratorium. Dette fallet SURF vil debutere et nytt eksperiment ved fysikkens grenser: CASPAR, som etterligner forholdene ved kjerner av stjerner hvor hydrogenatomer og andre lyselementer smelter for å frigjøre energi, og danner som biprodukt de mer vesentlige elementene som kreves for bygge asteroider, planeter, gruver og pattedyr. I år begynner fysikere også å bygge utstyr for et eksperiment som heter LUX-ZEPLIN (LZ), som vil forsøke å oppdage partikler av mørkt materiale så snart som 2020.

Det er en del av en trend som utfolder seg rundt (så vel som innenfor) verdenen, som forskere konstruerer eller omarbeider begravet infrastruktur på steder som Minnesota, Japan, Italia, Kina og Finland for å dype seg inn i kosmos fra dyp undergrunnen, og søker å lære hvorfor universet er slik det er - og kanskje hvordan mennesker kom hit i det hele tatt.

Inne i buret har rytterne latt hodet tilbake mot veggene, øynene lukket for et stille øyeblikk før arbeidet. De ser opp som heisen stikker til et stopp og døren åpner mot en avrundet, steinete gang, dekket av netting for å beskytte mot steinruter og huler. Lyset er gult, med et spekter som ikke er ulikt solens.

"Bare en annen dag i paradiset, sier en av passasjerene da operatøren slipper oss inn i dette fremmede miljøet. Vi går bort fra The Cage, vår eneste kanal til overflaten, og mot den underlige vitenskapen som som ekstreme underjordiske organismer som overlever uten sollys - kan bare skje her.

Kosmiske messengers i en Mine

På vei til vår første destinasjon, LZ mørkemessige eksperiment, går vi gjennom en del av gruven kalt Davis Lab. Navnet stammer fra sent fysiker Ray Davis, som besøkte Lead-byen på 1960-tallet med et vitenskapelig eksperiment i tankene. Deretter så Lead og neste dør Deadwood mye ut som de ser nå, med kasinoer på et etasje og en bar med et tegn som leser "Historisk salong nr. 10 hvor Wild Bill ble skutt." Davis hadde bedt eierne av Homestake Gruven hvis han kunne bruke et lite stykke av det store rommet for å søke etter solnutriner.

Neutrinoer er nesten masseløse partikler uten elektrisk ladning. De beveger seg nesten like fort som lyset selv. De er knapt gjenstand for tyngdekraftenes effekter og er immun mot elektromagnetisme. Faktisk, de snakker ikke med noe i det hele tatt - en neutrino kan bare glide rett gjennom atomer av ethvert kroppsobjekt i universet slik en motorsykkel kan dele baner rett gjennom trafikken. Fysikere og astronomer elsker nøytriner fordi deres kosmiske sjarmhet holder dem uberørte. Hver bærer påtrykker, som fødselsmerker, fra eksplosjonene og radioaktive henfall som frigjorde dem på kosmos. Ved å studere dem kan forskere lære om supernovas indre arbeid, de første øyeblikkene etter big banget, og stjernens søsterhjerter - inkludert vår sol, som Davis ville undersøke. I 1960-tallet hadde teoretikere allerede spådd at neutriner skulle eksistere, men ingen hadde ennå funnet dem i den fysiske verden.

Gruveselskapet bestemte seg for å la Davis forsøke å bli den første personen til å gjøre det.

Dailing bygde en neutrino detektor som ble operativ i 1967. I løpet av det neste kvartalet tok han ut det han kom for: egentlige nøytriner, ikke bare teoretiske på papir. Som den første personen som direkte oppdager partiklene - og så bevise at de eksisterte i det hele tatt - vant Davis Nobelprisen i 2002. Han var en av de første som viste at noen ganger for best å koble med dypt rom, må mennesker reise lengre unna det, dypt inne i selve planeten.

I de første tiårene av Davis-eksperimentet fortsatte Homestake Mine å sende en jevn strøm av gull til overflaten, og produserte nesten tre millioner pounds av det edle metaller i løpet av livet - det meste av enhver min i den vestlige halvkule. Men i 2002 da prisen på en unse droppet for lav for at gruven skulle vinne, sluttet Barrick Gold Corp. ned og senere donerte anlegget til staten South Dakota.

Staten - med finansiering fra milliardæren T. Denny Sanford og US Department of Energy-utvidet på Davis arv og slått hele operasjonen inn i et fysikklaboratorium: dagens SURF, med den opprinnelige Davis Campus i kjernen.

Sette opp butikk

Når vi går inn i Davis Campus, snap vi elastisk-ankel booties over skoene våre og er begavet et klistremerke. "Det er alltid solfylt på 4850, " sier det. Beviset støtter ikke denne konklusjonen.

Vår guide, Mark Hanhardt, har ikke et slikt klistremerke, men han har en Ghostbusters lapp på overkanten av hans overalls. Han refererer senere til det mørke stoffet som LZ vil se etter som "spøkelsespartikler." Han er da den buster som hans lapp refererer til. Han er en jolly fyr, med et smil - øynene og munnen-alltid mellom sitt skjegg og kort hårklipp. En eksperiment-støttet forsker, han er også sønn til en tidligere Homestake miner kalt Jim Hanhardt. Jim ble lagt av da Homestake stoppet gruvedrift - men han fikk en annen underjordisk jobb tilbake da SURF overtok, og ble en teknisk støtteleder i 2008. For noen få år, før fars fars siste død, tok de to sammen i denne underjordiske rom- en felles historie rundt bly. Alle i byen ser ut til å vite eller dele blod med noen som jobber i laboratoriet, fordi SURF hyret mange gruvearbeidere og kontraktet med lokale selskaper for sprengningsarbeid og byggearbeid. Hanhardts daglige arbeid bærer da dual legacies - en familiær, en vitenskapelig. "Det har allerede vært en nobel fra her nede, " sier Hanhardt og beger oss for å følge ham ned på gangen. "Kanskje det blir mer."

Hanhardt går langs plattformen mot det høye taket som SURF-ansatte forbereder for LUX-ZEPLIN. Det meste av rommet tilhører en enorm og tom vanntank - tre og en halv ganger så høy som meg, og over hvilken diameter fire og en halv av meg kunne ligge ned. Hanhardt kaller det den "gigantiske vitenskapebøtten." Når den var fylt med 72 000 liter vann og skjermet, ble et eksperiment kalt LUX, som fungerte fra oktober 2014 til mai 2016. På den tiden var LUX verdens mest følsomme søker av mørk materie- mer avstemt til universets mest mystiske partikler enn noe annet eksperiment på planeten.

Tiår med observasjoner med teleskoper har antydet at universet er fullt av usynlig materie som ikke utsender eller reflekterer lys, men oppveier alle synlige stjerner, gass og galakser kombinert. Denne mørke saken har tilsynelatende formet noen av disse galakser inn i spiraler, og kan til og med være det som gjorde at saken glom seg sammen til galakser i utgangspunktet. Ingen vet nøyaktig hva det mørke saken er laget av, men de fleste fysikere er enige om at det sannsynligvis er sammensatt av minst en slags uoppdaget subatomisk partikkel. Men akkurat som man ikke kan si sikkert hva Sasquatch ser ut til du spionerer en på et fjernt kamera eller slår en i en felle, kan forskere ikke si hva mørkt materie er før de fanger noen.

LUX prøvde å gjøre nettopp det. I løpet av sin nesten årlige løp satt en 350 kilo kapsel med flytende xenon nestet som en matryoshka dukke inne i gigantvannstanken, som isolerte xenonen fra den uberørte bakgrunnen av kosmetiske stråler som klarte å trenge inn i dette selv langt under jorden. Den xenon, tettere enn solid aluminium, ventet forhåpentligvis på hypotetiske mørke partikkelpartikler å tunnelere gjennom tusenvis av meter jord, og ende opp i South Dakota etter interstellar-eller til og med intergalaktiske reiser. Hvis en partikkel av mørk materie rammet et atom av xenon, ville kollisjonen produsere en flash av lys. Elektronene vil da spinne ut av kollisjonen, og gjøre en ny blits. Detektorer som fôrer tankens interiør, ville plukke dem opp og sende et signal tilbake til forskere, som kunne spole reaksjonen for å studere partiklene som først sparket fyrverkeri.

I oktober 2016 begynte SURF-forskere å demontere LUX og kartlegge sin xenon, som gruvearbeidere, til overflaten. Oppsettet hadde ikke sett noe. Mørk materie hadde vært tro mot navnet sitt.

Til tålmodige fysikere, som bare mente at de trengte en større, bedre bøtte for å samle mørk materie: LUX-ZEPLIN. Når den debuterer i 2020, vil dette oppfølgingsforsøket fortsatt være det beste i verden: 70 ganger så følsomt som forgjengeren, takket i stor grad til sin 10 tonn flytende xenon-sammenlignet med LUX, den første sårbare tredje av et metrisk tonn. Det vitenskapelige samarbeidet, som involverer 250 forskere fra USA, Storbritannia, Portugal, Russland og Sør-Korea, lanserte bygging i februar.

Hanhardt stikker hodet sitt inne i den silkecylinderen i den tomme vanntanken og hvisker " Helloooo ." Den lille lyden ser ut til å ekko nesten uendelig, hopper på tankens vegger og kaster seg tilbake på oss som bevis på hans eksistens.

Dypfysikk

SURF opptar et av verdens dypeste vitenskapelige rom, mer enn dobbelt så langt ned som Soudan Underground Laboratory i Minnesota, som ligger i en tidligere jerngruve. Super-Kamiokande-labet, som fokuserer på nøytriner som Davis, okkuperer Mozumi sinkgruven i Japan, 3300 meter underjordisk. Den dypeste fysiske anlegget i verden er imidlertid Kinas Jinping Lab, som utnytter tunnelene under en vannkraftstamme. Den har en mørk materiell detektor og et neutrino-eksperiment kalt PandaX. Bruk av eksisterende infrastruktur, som disse laboratoriene gjør, betyr at forskere kan fokusere på å bygge sine eksperimenter i stedet for sprengningsrock. Og det betyr at de kan stole på lokale arbeidere som allerede vet hvordan de skal hjelpe til med å opprettholde de snake hulene som ellers kan oversvømme, kollapse eller fylle med giftige gasser. Italia er det første landet som skal fullføre et underjordisk laboratorium, Gran Sasso, for det eksplisitte formålet med å gjøre forskning. Det tok dem 30 år.

Hver av disse avanserte fasilitetene er racing for å være den første som gjør gjennombruddsfunn om uoppholdelig mørk materie og spøkelsesnutriner. Men for at sluttresultatet skal oppstå, skal fasilitetene trenge hverandre - og hverandres data - være bedre, raskere og sterkere enn de kan klare seg selv. Sammen danner de et økosystem som støtter vitenskap som ikke kan gjøres på overflaten.

En pint-størrelse stjerne er født

SURF, siden dens opprinnelse, har vokst utover Davis-campusen til andre deler av gruven, hvorav det er mange. Den nye "campus" er så langt unna at vi kan besøke den. Vi tar en jernbanevogn, som rumler ned mørkede spor gjennom kavernøse rom som pickax-wielders fra gammel. Kul luft blåser fortsatt forbi oss, noe som flyter inn i denne nederste verden frisk fra overflateverdenen nesten en kilometer over. Ganglampene passerer med intervaller, gløder og senker seg i sakte, strobelike prosesjon til vi når det som kalles Ross Campus og CASPAR-eksperimentet. CASPAR er en partikkel akselerator-men en som passer inn i et vanlig rom. En serie rør, luften suges fra dem av vakuumpumper, slanger over bord som løper helt over rommet, og deretter bøyes tilbake til et lenger åpent rom. Fra den ene enden strømmer en stråle av partikler gjennom rørene, dens bøyning bøyes av magneter. I den andre enden sitter et mål. Når strålen bull's-eyes det, utløser kollisjonen fusjonsprosessene som skjer i stjerner, når små atomer blir med til å bygge større. Disse prosessene skjer dypt inne i stjernekerner over hele universet, og har i hovedsak skapt alle elementene tyngre enn helium (elementære astronomer kaller "metaller", selv når de ikke er ned i gruver).

Alle disse "metaller" omfatter deg, meg, disse rørene, dette hulrommet, SURF, økosystemet til underjordiske laboratorier, Jorden og alt du kan (eller kanskje ikke) bryr deg om. Men forskere forstår faktisk ikke detaljene om hvordan stjernene smelter sammen. Og fordi de ikke kan fly inn i sentrum av en stjerne, har de i stedet reist til sentrum av planeten. Her, skjermet fra svimlende stråling og partikler som bombarderer Jordens overflate, kan de mye mer tydelig se partiklene og strålingen fra eget eksperiment, i stedet for fra sol eller rom.

Når vi kommer, blir en gruppe studenter og tre professorer huddled over flere datamaskiner, og prøver å få den strålen som bare akkurat som det kan være. Mini-akseleratoren selv er på den andre siden av en dør ved siden av dem. Det ser ut som et barns kjemi sett, minus de fargerike væskene.

Fysikeren Michael Wiescher, fra Universitetet i Notre Dame, går bort fra sine kolleger for å fortelle meg hva de gjør. Han snakker stille, kanskje prøver å ikke forstyrre dem. Han trenger ikke bekymre seg, men: Deres oppmerksomhet er så fokusert som eksperimentets stråle.

Det er fordi det er en stor dag her nede: Wiescher og de andre, fra Notre Dame og South Dakota School of Mines, begynner å starte strålen mot målet sitt. Snart vil de lage sine egne pintestjerner, lenger fra verdensrommet enn de fleste mennesker noen gang går. Deres første eksperimenter vil undersøke detaljene i en prosess som kalles "heliumforbrenning." I brennens første fase skjer et viktig samspill når tre heliumkjerner alchemiserer til ett karbon-atom som definerer molekyler "organisk". I faktiske stjerner dette skjer bare med alder: Etter at stjerner som solen har brent seg gjennom det meste av hydrogenbrennstoffet i kjernene, og har utviklet seg til røde gigantiske stjerner, begynner de å smelte helium i stedet. Men her i SURF, i et oppsett av baderomsstørrelse, kan CASPAR lære om å brenne helium hver dag forskerne ser hensiktsmessig, og så lær hvordan å skape igjen og igjen elementene som ble oss - raskt videresende solens klokke mens de spolede våre egne . "Det er ikke bare fysikk, " sier Hanhardt, som står på vakt når laget fungerer. "Det er filosofi." Det handler med andre ord om de store spørsmålene: Hvordan kom vi bokstavelig talt her? Hvorfor kosmisk? Disse spørsmålene har vitenskapelige svar, men eksistensielle implikasjoner, vitenskapen har flyttet til territorium som tidligere kun var okkupert av religion.

Europeiske forskere, Wiescher forteller meg, er to år tilbake i arbeidet med et lignende prosjekt som heter LUNA-MV i Gran Sasso. Kina bygger sin egen-JUNA. Men CASPAR vil (hvilken som helst dag) begynne å lage mat først. Etter at CASPAR-laget får noen resultater alene, planlegger de å slå sammen data med noen av disse andre lagene, og la forskere komme ned til denne hulen for å gjøre egne eksperimenter med CASPAR-utstyret. En dag snart - når CASPAR åpner opp for samarbeidspartnere, når LZ begynner å søke, vil SURF være robust og livlig i vei for gullgruvens storhetstid, tilbake da et enkelt neutrino-eksperiment knep i et hjørne.

En av de datamaskinfokuserte forskerne sier, "Vi har 100 prosent stråleoverføring!" Og så blir en smilingsstudent, Thomas Kadlecek, fra South Dakota School of Mines, til meg og Wiescher. Han liker det her, sier han. Hans bestefar var minearbejder tilbake da det var Homestake. Med det snur han seg raskt igjen og går tilbake til arbeidet sitt, lent på et rack av elektronikk.

Jeg finner senere at hans bestefar døde i Homestake. På samme måte som en generasjon av stjernerbrennstoffer inspirerer de neste Sør-Dakotas tidligere underjordiske generasjoner de som følger. "De identifiserer med gruven, " forklarer Wiescher. "Det er utrolig."