作者劳伦斯·古德曼，布兰代斯大学 比约恩·潘宁在地下4850英尺，在通往实验的竖井里
学分:布兰代斯大学 电梯的名字叫“笼子”，早上7:30准时离开
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迟到者运气不好
在沉重的黄色金属门被猛地关上，慢慢坠入黑暗之前，将近24个穿着工作服、戴着安全帽、穿着厚胶靴的人挤在笼子里
一股稳定的水流从支撑电梯井的木板上倾泻下来，这些木板必须保持湿润以防腐烂
似乎没人介意
谈话是关于家庭生活、周末计划和午餐吃什么
大约10分钟后，在将近一英里的地方，电梯砰的一声停了下来
当门打开时，你走进一个岩壁粗糙的洞穴
直到2002年，这还是南达科他州黑山的一个正在开采的金矿
矿工们曾经用炸药炸开岩壁
脚下的铁轨将满载物资的手推车运送到地面
现在，他们正被用来将装有设备和人员的小型列车深入到向各个方向延伸的隧道中
在一条走廊的尽头有一个干净的房间，在那里你必须换上工作服，洗好靴子，用酒精擦干净你的物品
随着你走得越来越远，它越来越像一个普通的——虽然没有窗户的——工作场所
管道在头顶和墙壁上延伸
书桌紧靠着走廊的一边
甚至还有一台咖啡机和一台意式通心粉机
在走廊的尽头，一对门打开，露出一个科学实验室，桑福德地下研究设施的戴维斯校区
它是以雷·戴维斯的名字命名的，他是第一个通过实验检测太阳发出的中微子的物理学家
20世纪60年代，当矿井还是矿井的时候，戴维斯在这里进行了他的开创性工作
如今，这个空间就像是詹姆斯·邦德老电影中的反派巢穴
研究人员跑来跑去，检查设备和监视器
堆叠在一起的电脑发出嗡嗡声
这就是布兰代斯物理学家比约恩·潘宁和他的实验室，以及来自世界各地的250名其他研究人员正在寻找粒子物理学中的终极宝藏——暗物质的地方
暗物质是宇宙中最难以捉摸却又无处不在的物质之一，仍然是最大的科学谜团之一
但是潘宁和他的同事们可能会破解它
软骨头统治宇宙吗？ 20世纪20年代，加州理工学院的天文学家弗里茨·兹维基在南加州的威尔逊山上工作，使用当时世界上最强大的望远镜，他注意到了几亿光年外星系运动的一些奇特之处
出生于瑞士的兹维奇所研究的恒星是一个被称为彗发星团的星系团的一部分
彗发星团的星系围绕其中心旋转，就像我们太阳系的行星围绕太阳旋转一样
通过艰苦的工作，兹维奇计算了彗发中心星系的质量，以确定它们施加的引力；质量越大，引力越大
Zwicky很快发现他的数字不相符合
中心星系的质量不够大，不足以产生足够的重力来保持外围星系和它们一起在轨道上
外围星系应该已经脱离了彗发，飞进了太空
只有一个结论
在彗发系统中必须有额外的质量来保持所有星系在一起，质量不是来自恒星本身，而是来自它们之间的空间，被黑暗的空间所隐藏
在1933年的一次会议上，兹维奇提出这种未知物质是邓克尔物质，或称暗物质
在接下来的40年里，兹维奇的理论很快被遗忘了
然后，在20世纪70年代，美国天文学家薇拉·鲁宾对仙女座星系进行了类似于兹维奇的计算
鲁宾是她所在领域为数不多的女性之一，她在南加州的帕洛马天文台工作(在那里，她必须将裙子的轮廓贴在洗手间门上的男性图标上，以创建一个女性厕所)
她的结果证实了兹维奇的发现，恢复了他的暗物质理论
随后的研究让我们对宇宙知之甚少有了新的认识
事实证明，原子只占所有物质的不到5%
暗物质占27%
宇宙的其余部分由一种同样神秘的物质组成，叫做暗能量
钛心:暗物质探测器最里面的腔室，最终将被装入不锈钢大桶中，并装满7吨液态氙
学分:布兰代斯大学 科学家认为暗物质最有可能由被称为弱相互作用大质量粒子的亚原子粒子组成
弱光子和大多数其他形式的物质一起起源于早期宇宙，它们是由像电磁力这样的力吸引在一起的粒子组成的
与那些粒子不同，弱粒子是孤独的
它们主要被引力吸引到其他粒子上，与宇宙中其他作用于物质的力相比，引力是一种非常弱的结合
虽然软骨头在我们周围，但它们不会被构成我们身体的原子所吸引
像幽灵一样，每秒钟有数十亿个懦夫从我们身边经过，而我们却毫不知情
当弱光子撞击到原子上时，它们会产生一种独特的非常微弱的信号
如果对暗物质的搜索是在地面上进行的，这个信号会被来自太阳的宇宙辐射淹没，或者被坍塌或碰撞的恒星抛向我们的方向
这就是为什么SURF的暗物质研究是在地下一个废弃的矿井中进行的
上面的岩石和泥土将宇宙辐射减少了10亿分之一
其他几个主要的科学实验也在南达科塔科学技术管理局的资助下，在南达科塔科学技术中心进行
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能源部，南达科他州和私人捐款
从粒子物理学家的角度来看，尽管有各种污垢、灰尘和碎裂的岩石，这个废弃的矿井仍然是一个理想的“干净”环境，可以进行研究
排除不可能 41岁的潘宁于2017年加入布兰代斯
他在德国南部黑森林边缘的小镇斯皮钦根长大
7岁的时候，他收到了一架圣诞节用的望远镜，把它对准了星星，然后就着了迷
对《星际迷航》的热情自然随之而来
“因为我知道我不能成为星际舰队的舰长，”他说，“我必须做史波克做的事——科学军官
" 在附近的弗莱堡大学，他在本科和博士阶段都学习粒子物理
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学生
他的研究带他去了伊利诺伊州的费米实验室学习，这是美国第一个粒子加速器
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，原子以接近光速的速度被粉碎在一起，这样科学家就可以分析碎片
在那里，他遇到了他的妻子，马塞勒·苏亚雷斯-桑托斯，她和潘宁一样，现在是布兰代斯大学的物理学助理教授
21世纪10年代中期，作为英国布里斯托尔大学的教员，潘宁在瑞士的大型强子对撞机工作，这是一个比费米实验室更大的粒子加速器
他是2012年证实希格斯玻色子存在的团队的一员，希格斯玻色子是赋予所有其他粒子质量的粒子
这是一个重大突破:希格斯粒子是所谓的粒子物理标准模型中最后一个未被发现的亚原子粒子，该模型于20世纪70年代最终确定，是迄今为止关于宇宙如何工作的最完整的模型
但是，尽管标准模型包含了17种不同的粒子，包括夸克、轻子和中微子，但它并不包括弱粒子
当大型强子对撞机在11年前建造时，科学家们希望它能产生标准模型之外的粒子证据
它没有，这促使一些科学家怀疑弱光子的存在，相反，他们讨论了像轴子、无菌中微子和弱光子这样的替代品
2013年，研究人员宣布了他们首次尝试寻找暗物质的结果
被称为“大型地下氙暗物质实验”持续了三年半
它一无所获
从那以后，潘宁和来自世界各地的大学和实验室的研究人员修改了他们的设计，开发了一种新的探测器，LUX-ZEPLIN，比LUX灵敏近1000倍
潘宁说，它有更大的成功机会
LUX-ZEPLIN探测器由一系列嵌套的筛子组成，每个筛子都被设计成过滤掉各种亚原子粒子，这样，至少在理论上，任何到达中心的粒子都是弱粒子
为了强调这一逻辑，潘宁引用了夏洛克·福尔摩斯的话:“当你排除了不可能，剩下的无论多么不可能，都一定是事实
" 仍在建造中，最外面的筛子是一个26英尺的不锈钢桶
因为水阻挡了伽马射线和中子的通道，70，000加仑的超纯水将被倒入桶中，以防止这些粒子向内部移动
第二个筛子将阻挡中子，这是一个特殊的问题，因为它们会感应出一个很容易被误认为是弱作用粒子的微弱信号
这种筛子由10个12英尺长的丙烯酸罐组成，这些罐悬浮在水中，装有液化钆——中子粘在钆原子上——和烷基烷基苯，烷基烷基苯是清洁产品的常见成分
潘宁的团队设计了丙烯酸罐周围的传感器
它们看起来像白色特卫强外套的巨大的K罩杯
当中子与钆原子接触并被“俘获”时，光子就被发射出来
传感器检测到这些光子，这表明一切都在按计划进行，没有中子穿过钆屏障
光电倍增管阵列，超灵敏的光传感器，可以检测粒子与检测器滤网相互作用时发出的光子
信用:SURF 实验最里面的密室——电阻室——是一个13英尺高的钛圆筒，里面装满了液态氙
浸没在水中，钢瓶将被丙烯酸罐包围
如果科学家关于弱光子的理论是正确的，那么氙是最能探测暗物质粒子的行星元素
氙原子密集地聚集在一起，可以诱捕弱光子，释放出两束光，可以被钛筒中的传感器探测到，让研究人员知道暗物质已经被发现
就像在瓶子里造一艘船 2019年3月，潘宁和他的实验室在SURF在探测器的不锈钢容器内工作，除了最终将容纳氙的钛圆筒之外，该容器是空的
潘宁的团队——博士后研究员王帅文、高级机械工程师安德烈·杜什金、研究生卢克·科里和电气工程师理查德·斯图德利——正在搭建脚手架，脚手架将围绕内壁运行，并容纳潘宁设计的类似K杯的传感器
布兰代斯的科学家们只使用虚拟零件和设备进行了一次试运行
当探测器在今年晚些时候开启时，所有参与实验的其他大学将完成它们在容器内的安装过程
最后离开的布兰代斯船员只有3人
在墙和其他科学家工作的设备之间5英尺
潘宁把它比作在瓶子里建造一艘船
这需要大量的练习
必须遵守的严格的清洁标准使得这项任务特别困难
弱光子如此微弱，以至于即使是一点灰尘也能模糊它们的信号，并使传感器失灵
如果潘宁的团队弄掉了一个工具或者让一个螺丝钉掉了下来，地板很容易碎裂
所以潘宁实验室以精确的节奏工作
杜什金爬上爬下，用螺栓把脚手架的金属杆连接在一起
柯利把他需要的工具递给了他
斯图德利跪在地板上，用激光水平仪确保支柱对齐
他们不怎么说话
他们确切地知道他们需要做什么
与此同时，斯图德利也在致力于解决该小组在探测器投入运行前几天将面临的一个问题
他们需要带一个梯子来搭建脚手架
他们将绕着圆柱走，直到他们回到入口，一个3英尺宽的小门
但是没有足够的空间将梯子推出传送门
唯一的解决办法是定制可折叠或可拆卸的梯子
斯图德利说这是可行的，但他还没有完全搞清楚
一天快结束时，每个人都开始注意到一股恶臭，像腐烂的卷心菜或臭袜子
潘宁说这就像是一个巨人放屁
事实上，这是一次疏散演习
科学家工作的一些隧道缺乏电力或手机信号
接触它们的唯一途径是释放恶臭气体，这是一种含有无毒化学物质乙硫醇的天然气
该设施还有其他方式提醒人们——警报、电子邮件和短信——但恶臭气体增加了一个巧妙的额外安全级别
即使你不知道这意味着要引发一场疏散，你也会不顾一切地想出去
恶臭气体意味着一天的工作必须结束
笼子下午只返回一次
今天必须早点
科学家们挤在里面，被带回地面
当SURF的暗物质探测器开始工作时，它的数百个传感器将在接下来的五年里每秒钟、每周七天、每天24小时收集数百万条数据
科学家们将在他们大学的电脑上监控结果
如果一个软骨头被发现，没有警报会响起，没有钟声会响起
研究人员只会注意到散点图上的一簇点
结果将由项目中一些最顽固的怀疑者仔细研究、检查、再检查和审查
如果一切顺利，我们对宇宙的理解将永远改变
雷·戴维斯，在同一个隧道深处工作，这个隧道现在是冲浪中心的所在地，后来赢得了诺贝尔物理学奖
如果潘宁和他的同事们的努力成功了，他们就能获得同样的金牌
由于新冠肺炎大流行，分区域资源中心的业务暂停
科学家预计实验将在今年夏天晚些时候重启
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