南达科他州地下近一英里处，一场寻找暗物质的竞赛

1876 年至 2002 年间，南达科他州莱德的居民从霍姆斯特克矿开采出价值 35 亿美元的黄金。这是该镇的主要产业，当价格下跌和收益递减最终导致该镇关闭时，没有人知道该如何处理剩下的 8,000 英尺深的地下洞穴。随后，在 2007 年，美国国家科学基金会决定，8,000 英尺深的洞穴将是其拟议的深层地下科学与工程实验室（DUSEL）的最佳地点，这是一个庞大的研究综合体，将包括世界上最深的地下实验室。

现在，一个由物理学家和前矿工组成的团队将霍姆斯特克的货运仓库改造成了桑福德地下实验室的一个新的地面实验室。他们将墙壁和踢脚板漆成白色，并在地板上画上黄色线条，引导参观者参观巨大的氮气罐、储物柜大小的电脑和塑料包裹的机器零件。很快，他们将把这些部件中的许多收集到实验室的洁净室，并将它们组装成大型地下氙气暗物质探测器 LUX，然后将其放入矿井的半地下，如果一切顺利的话，它最终将探测到一些暗物质粒子的存在，这种尚未被发现的隐形物质很可能是宇宙凝聚在一起的物质。

LUX 项目只是全球至少 10 项寻找暗物质直接证据的计划之一，在诺贝尔奖和长期联邦投资的推动下，LUX 的 50 名研究人员和 L​​ead (发音为“leed”) 的 2,848 名公民都公开表示希望成为第一个。但问题已经出现了。

在这个六月的下午，我已经透过洁净室的窗户观察了好几个小时，四位物理学家身着相同的白色 Tyvek 套装，戴着乳胶手套和蓝色靴子，戴着医用口罩和防护眼镜，准备连接探测器的两个主要部件。内部低温恒温器是一个垃圾桶大小的空心圆柱体，大家都简称它为“垃圾桶”，现在它被放置在地板以下一个盖着格栅的坑中。坑上方的一个框架上悬挂着圆顶，它是垃圾桶的盖子，圆顶上悬挂着一个复杂的组合体，称为骨架。这样做的目的是小心地将垃圾桶围绕骨架抬起，像套娃一样将一个垃圾桶嵌套在另一个垃圾桶内，直到它与圆顶盖连接在一起，形成一个完美的密封。

整个装置最终将包含 31 加仑的 –154°F 液体。氙气是实际探测暗物质的介质，因此精度至关重要。但各个部件是在不同的地点加工的，如果没有完美的密封，空气和杂质可能会渗入实验，从而可能影响结果。正如凯斯西储大学物理学家、LUX 项目联合创始人汤姆·沙特 (Tom Shutt) 所解释的那样，“我们一直处于焦虑之中，想知道这到底有多紧密。”

不过，在抬起罐子之前，团队必须先完成骨架本身。目前，骨架仅由六条薄薄的钛带组成，从圆顶的内缘垂下。下一个任务是插入构成骨架主体的三个厚圆盘。其中一位物理学家手动操作一辆小型叉车，将其中一个铜盘抬高到腰部高度，其他人则调整临时支架，将其固定到位，然后进行最后的调整，将其固定在钛带上。这个过程对三个圆盘中的每一个都重复进行：抬起、拧紧、调整、协商、调整。

物理学家们沿着骨架向下工作，直到最后他们跪在地上，将螺栓旋入最后一块铜板，距离地面仅六英寸。他们慢慢地坐在脚后跟上或站起来观察他们的杰作。接下来是负责协调罐子制造的 Shutt。他告辞了，前往洁净室的前厅穿好衣服。（普通灰尘，也就是人们可以从任何地方带进来的那种灰尘，可能具有高水平的放射性，如果探测器确实发现暗物质，可能会掩盖信号。）

很快，又有一名研究生加入了他，洁净室变得拥挤起来。六位物理学家将承载骨架的框架推到一边，打开了坑的格栅。其中一人爬到里面，将两根电缆连接到罐子上，然后爬到外面。电缆穿过框架上的两个滑轮，团队将框架滑回原位。他们在电缆的另一端系上一堆重物，形成一个简单的电梯，然后开始慢慢地将罐子抬起，绕过骨架。沙特站在一边，双手掌心张开，手指像一个等待打开礼物的孩子一样兴奋地摆动着。

LUX 项目的其他科学家正在聚集在一起，等待这一重要时刻——他们将看到这个罐子是否真的适合组成一个功能齐全的探测器——我被人用手肘推到研究生们聚集的侧窗。当罐子接近顶部时，杂音渐渐消失。骨架完美地滑入到位。但是，在距离圆顶不到一英寸的地方，也就是罐子最终应该锁定的位置，它卡住了。Shutt 和他的团队试图将它放轻松，他们试图推它，但它就是纹丝不动。物理学家们怀疑罐子的尺寸或骨架的形状不对。尽管出现了这种明显的挫折，他们还是勇敢地摆出姿势拍了几张照片。然后他们有条不紊地将罐子放回坑里。他们明天会再试一次。

没人知道暗物质是什么，甚至不知道它是否真的存在。目前，它只是一个占位符，一个必须插入各种计算中的 x，以使天文观测结果符合牛顿物理规则。这个名字来自瑞士天文学家弗里茨·兹维基 (Fritz Zwicky)，他于 1933 年使用两种成熟的方法计算了后发座星系团（一个由 1,000 多个星系组成的星系团）的质量。一种计算方法是利用牛顿第二运动定律，从星系团中八个星系的运动中推断出来的，该定律的本质是星系越大，旋转速度越快。另一种计算方法是通过量化星系团恒星发出的光量来估算星系团的总质量。

结果本应相等，但基于运动的数字却大了一个数量级。后发座星系的旋转速度比根据整体发光量预测的速度要快得多。要使牛顿方程成立，就必须有更多质量。兹维基将这种缺失的物质称为“暗物质”。

直到 1970 年，另一位天文学家维拉·鲁宾 (Vera Rubin) 记录了仙女座星系中类似的差异，兹维基的研究才被人们广泛忽视。此后，研究人员发现，数百个其他星系的可见质量也太小，无法解释运动速度，至少在我们目前对物理学的理解范围内是如此。天文学家还发现了不可见的“引力透镜”，它会导致光线绕其自身弯曲——尽管这些透镜没有可识别的质量，无法扭曲时空结构并弯曲光线。所有这些都表明，宇宙中超过 80% 的物质对我们来说是看不见的。

如今，大多数（但绝不是全部）物理学家都同意暗物质是存在的，而且很可能是由他们所谓的 WIMP（弱相互作用大粒子）组成的。“大粒子”并不意味着粒子很大，而是它们有质量，因此既能响应引力，又能产生引力。“弱相互作用”意味着粒子虽然有质量，但很少与物质相互作用。科学家还假设 WIMP 是电磁中性的，这就是我们看不见它们的原因。事实上，到目前为止，所有关于暗物质存在的论据都是基于推论。从来没有人直接观察到过这种物质。

许多科学家，包括鲁宾，都对 WIMP 理论持怀疑态度，在某些情况下，他们甚至怀疑暗物质的概念本身；他们认为牛顿物理学可能无法描述银河系尺度上的运动。当我问丹·阿克里布（Dan Akerib，沙特在凯斯西储大学的合伙人，也是 LUX 项目的首席研究员）为什么 WIMP 是最受欢迎的候选者时，他采取了标准的科学立场——WIMP 只是目前最好的理论：“一种巧妙的说法是，WIMP 是最不疯狂的寻找对象。”

这正是 LUX 和其他竞争计划的用武之地，所有这些计划都以 WIMP 的存在为前提。当天文学家发现整个宇宙中存在暗物质的证据时，它们似乎分布不均。从引力上看，它的行为与普通物质一样：它会聚集在一起。暗物质理论家目前怀疑它集中在一个球形云中，该云团包含大多数星系。当我们自己的太阳系在银河系中旋转时，它和银河系都会在其中一团云中移动，云中的粒子（WIMP）会以物理学家猜测的每秒每平方厘米约 100,000 个的速度流过地球和地球上的一切。

LUX 的物理学家和负责 10 多个竞争项目的物理学家团队希望能够当场抓住 WIMP。这些其他探测器（一些使用锗作为探测器材料，另一些使用液态氙，就像 LUX 一样）埋在地下、旧矿井和下水道中或山下，以保护它们免受可能伪装成 WIMP 的其他宇宙粒子的影响。

大多数 WIMPS 都会避开探测介质，但 Shutt 和 Akerib 推测，每年大约有三到四个 WIMPS 会与 LUX 容器中 1.6 亿亿个氙原子中的一个碰撞，并且碰撞后会发出两束微小的闪光——这是暗物质存在的第一个直接证据。

即使又经过了一整天的抬起、拧紧和调整，罐子仍然装不进去，所以 Shutt 让我开车送他和他的一名学生去附近戴德伍德的五金店，这座小镇是著名的狂野西部执法者比尔·希科克打出最后一张决定命运的牌的地方。现在的计划是锉平罐子底部附近一个几乎看不见的内焊缝，科学家们认为这个焊缝会卡在骨架上，为此 Shutt 需要一把 Dremel 旋转工具和几个金刚石钻头。他似乎并不担心，他价值 300 万美元的探测器原本用于确定宇宙的真实性质，但由于缺少一台价值 80 美元的电动工具而被搁置。

打磨接缝通常是一项简单的任务。但这个罐子是用钛制成的，非常坚硬。该实验室才成立六个月，还没有现场机加工车间或许多工具。如果 Shutt 委托一家不熟悉的车间来打磨这个罐子，他就会冒着让 LUX 暴露在金属屑中的低水平放射性的风险，这些金属屑和灰尘一样，可能会掩盖 WIMP 信号。每一个螺母和螺栓都必须尽可能接近无辐射，因此它接触到的每种材料或它访问的位置都必须经过仔细审查。团队将在早上第一件事就是在洁净室打磨接缝。

五金店光线充足的过道出售房屋油漆和汽车零件，为了迎合当地人骑摩托车出行的习惯，店里还出售一种用炉甘石和玉米淀粉制成的治疗马鞍疮的药物，名为 Anti Monkey Butt。Shutt 问一位穿着罩衫的女士 Dremels 在哪里，我们径直走向中间过道，在货架上找到了十几台 Dremels，它们放在一个钉板下面，钉板上放着数百个装有钻头的小塑料盒。Shutt 拿下几包钻头，扫描标签，寻找不会发出放射性的钻石，并指导他的学生也这样做。他说，过去几年，他花了 60,000 多美元在 eBay 上购买零件，包括精密清洁的钻头、涡轮泵和价值 10,000 美元的轨道焊接配件。Akerib 估计，该团队还下了数百份 McMaster Carr 的订单。

当我们继续搜寻时，一位戴着眼镜、留着一撮红胡子的年轻店员走过来，准备提供帮助。我一直期待着能够亲眼目睹物理学家与当地人之间的互动。科学家们告诉我的故事有一个共同的主题：住在该地区的人们喜欢在他们城镇周围（和地下）进行的大型物理项目。他们在酒吧、杂货店、加油站和基督教青年会桑拿室与物理学家们接触，表达他们的支持。超过 100 人参加了 Shutt 和布朗大学项目联合创始人 Rick Gaitskell 的暗物质讲座，之后观众跟随这对夫妇来到当地一家酒吧继续讨论。该镇的游客中心出售印有实验室徽标和“寻找 WIMP 的书呆子”字样的 T 恤。

“这些 Dremel 套装里有各种配件，”店员从架子上拿下一个盒子说道。“我们不需要配件，”Shutt 一边说，一边在装有单个钻头的塑料盒里翻找。“我们需要你们最强大的马达。”他们又来回问了一会儿。带各种钻头的怎么样？不，我们需要钻石钻头。这些钻石钻头怎么样？不行，不够大。这个可以吗？不行。最后，店员转过身来问我我们从哪里来。我告诉他 Shutt 在桑福德实验室工作，我们正在为探测器购买工具。店员点点头，看着越来越大的钻头堆。然后他问道：“进展如何？”

Lux 团队的竞争对手虽然在某些项目上遥遥领先，但他们也在努力解决自己的问题。其中一个项目是低温暗物质搜索 II，位于明尼苏达州的一个旧铁矿中。2009 年 12 月，那里的物理学家们登上了头条新闻，因为他们认为自己探测到了两个 WIMP 信号。结果发现这两个信号都是误报，但他们打算用一个更大的探测器 SuperCDMS 再试一次。另一个领跑者 Xenon100 隐藏在意大利中部的格兰萨索山下，已经投入运行。顾名思义，Xenon100 使用的技术与 LUX 类似。但 Xenon100 的探测器容器比 LUX 小得多，灵敏度也较低。到目前为止，它什么也没发现。

研究人员也在使用间接方法寻找 WIMP。在某些情况下，他们并不直接寻找暗物质，而是使用地球和太空望远镜寻找当两个 WIMP 接触并相互湮灭时预计会产生的奇异粒子（粒子理论支持这一现象）。与此同时，瑞士大型强子对撞机的物理学家正试图通过碰撞质子从头开始制造自己的 WIMP。合成的 WIMP 可以帮助物理学家重新校准他们的探测器以寻找正确能量范围内的天然粒子，但到目前为止，科学家还无法制造出这样的 WIMP。

所有这些努力都是昂贵的，因此对暗物质的探索在其开展的城镇中掀起了一股热潮。例如，在 Lead，Sanford 实验室正在推动当地房地产市场罕见上涨，为当地商店和餐馆带来额外业务，并雇用数百名当地人，从矿井维护工人到地质学家再到人力资源经理。该实验室只是更大的 DUSEL 项目的第一阶段，该项目预计将从联邦政府获得超过 8.75 亿美元的资金，并且已经从州政府获得了另外 4730 万美元，从私人捐助者那里获得了 7000 万美元。这些资金将用于将 Homestake 的 370 英里隧道和 186 英亩地面改造成 DUSEL 综合体：物理实验室将包括 LUX 已经计划好的继任者，这些实验室将拥有更大的氙气罐，从而增加捕获 WIMP 的机会。

和之前的霍姆斯特克矿业公司一样，DUSEL 计划将莱德变成一个公司城。霍姆斯特克不仅仅是一个雇主，它几乎影响了社区生活的方方面面。市长汤姆·尼尔森说：“如果莱德需要，霍姆斯特克就会建造它。”他的祖父、父亲和兄弟都曾在该矿工作。“他们建造了供水系统，引入了电力、铁路、医院、娱乐中心、公司商店和银行。一切都是公司。”桑福德实验室和即将实施的 DUSEL 项目可能不会运营莱德当地的诊所或银行，但它将带来资金和就业机会。慈善家和实验室同名人 T. 丹尼·桑福德从他 7000 万美元的捐款中拿出 2000 万美元用于科学教育中心，DUSEL 的研究人员将在那里授课，学生将获得亲身体验地下物理的机会。该项目的年度运营预算为 2300 万美元，其中一半以上用于与当地供应商或承包商合作。目前，约有 70 名前矿场员工为南达科他州科学技术管理局工作，该机构的成立是为了将该矿场转变为实验室。

除了 Lead 之外，还有另一个更大的团体——整个粒子物理学和天体物理学团体——为该项目的成功而努力。没有 WIMP，物理学的标准模型——即控制所有已知亚原子粒子相互作用的理论——就会被削弱，科学家将不得不重新考虑他们对亚原子物理学的假设。如果没有暗物质存在的确凿证据，我们对宇宙成分的基本理解就会瓦解。“如果暗物质最终不是由 WIMP 组成的，那么从哲学意义上讲，这比从个人意义上讲更令人失望，因为人类将不知道暗物质是什么，”Shutt 说。“我们已经做好了充分的准备，我们可能找不到它。但如果我们作为一个团体找不到它，那将是非常令人失望的。”

又过了整整一天，罐子还是放不进去。不过，这一次，我站在窗户的另一边，穿着借来的洁净室制服。沙特和我正盯着坑里看，罐子侧放着，一端伸出两条 Tyvek 包覆的支腿，好像有人戴着一顶巨大的金属派对帽，向前摔倒，肚子着地。新的 Dremel 发出刺耳的声音，然后磨擦声停止了。我的耳朵嗡嗡响。腿向外摆动，露出它们连接在詹姆斯·怀特身上，他是另一位来自德克萨斯农工大学的 LUX 研究员，他抬头看着我：“你想来帮忙吗？”

我没想到会被派去干活。我顺着梯子爬到坑里，怀特递给我一台 Dremel 电锯。他演示了如何修整罐子顶部附近的接缝；我需要修整的部分在更靠里的地方，靠近底部，那里只有一个地方可以容下一个人。接缝很紧。我蜷缩着身子，用手肘和膝盖支撑身体，这个姿势我没法保持太久。一名研究生透过罐子底部的凸缘用强光照射，偶尔给我拍照。我用戴着手套的手指描了一下不正常的接缝。这么小的东西竟然会造成这么多问题，这感觉简直不可思议。我用 Dremel 电锯头紧紧地压在上面。我开始研磨时火花四溅。声音震耳欲聋。

我想告诉你，我的 Dremeling 拯救了一切，我们很快就成功地把罐子抬起来了。但是我们没能成功。经过几个小时的研磨和一个烧坏的 80 美元 Dremel 马达，罐子仍然没有放进去。原来 LUX 团队又花了两个星期才完成罐子的工作。后来，当我在 9 月与物理学家交谈时，我了解到成功的关键是锉平骨架上的几个铜片，铜比钛更容易研磨。从我到那时，团队至少遇到了五个类似的小挑战，但这些挑战却危及任务，其中包括一个螺栓卡住的情况（由于过度清洁，法兰的螺纹和拧入法兰的杆非常干净，以至于它们在分子水平上结合在一起），需要紧急寻找润滑剂和钢锯。

现在 LUX 已经完成了 95%。该团队正在准备进行第一次试运行，他们将把充满氙气的探测器放入实验室下面两层楼的一个 66,000 加仑的储罐中，看看它是如何运行的。接下来，他们将在今年晚些时候开始将 LUX 埋入地下 4,850 英尺。然后就是等待，物理学家和 Lead 的居民共同希望，多年来产生如此多宝藏的这个巨大的地下洞能为他们带来持续的经济稳定——甚至可能是理解宇宙的秘密。

欲详细了解该项目如何改变莱德镇，请点击这里。