在 1876 年至 2002 年间，南达科他州利德镇的居民从霍姆斯特克矿（Homestake mine）中开采了价值 35 亿美元的黄金。这是该镇的主要产业，当价格下跌和产量减少最终导致矿井关闭时，没有人知道如何处理那 8,000 英尺深的矿坑。随后，在 2007 年，美国国家科学基金会（National Science Foundation）决定将这个 8,000 英尺深的矿坑作为其拟议的深层地下科学与工程实验室（Deep Underground Science and Engineering Laboratory，DUSEL）的理想选址，这是一个庞大的研究综合体，将包含世界上最深的地下实验室。
现在，一支由物理学家和前矿工组成的团队已将霍姆斯特克矿的仓库改造成了桑福德地下实验室（Sanford Underground Laboratory）的一个新的地表实验室。他们粉刷了墙壁和踢脚线，并加上了黄色的地面标线，以引导参观者绕过巨大的氮气罐、电脑主机和塑料包裹的机械部件。很快，他们将把其中许多组件收集到实验室的洁净室中，并将它们组装成 LUX（Large Underground Xenon，大型地下氙暗物质探测器），然后将其运往矿井半途，在那里——如果一切顺利——它将最终探测到暗物质的存在。暗物质是一种尚未被探测到的、看不见的物质，它很可能是维系整个宇宙的物质。
LUX 项目只是全球至少 10 个旨在寻找暗物质直接证据的项目之一，而且由于诺贝尔奖和长期的联邦投资，LUX 项目的 50 名研究人员以及利德镇（发音为“leed”）的 2,848 名居民都非常希望能成为第一个发现者。但问题已经出现。
在这个六月的下午，几个小时以来，我一直透过窗户观察着洁净室。四名身着相同的白色泰维克（Tyvek）防护服、乳胶手套、蓝色鞋套、外科口罩和防护眼镜的物理学家正准备连接探测器的两个主要组件。内部低温容器（cryostat）是一个垃圾桶大小的空心圆柱体，大家都简称为“罐子”，此刻它位于有格栅的坑道下方。一个框架悬挂在坑道上方，里面是圆顶，它是“罐子”的盖子。圆顶本身悬挂着一个复杂的装置，称为“骨架”。其想法是小心地将“罐子”向上提起，使其围绕“骨架”旋转，像俄罗斯套娃一样嵌套在一起，直到与圆顶盖连接，形成完美的密封。
整个装置最终将包含 31 加仑（约 117 升）-154°F（约 -98°C）的液态氙，这是实际探测暗物质的介质，因此精确度至关重要。但各个部件是在不同的地点加工的，如果没有完美的密封，空气和杂质就会渗入实验，可能危及结果。正如 Case Western Reserve 大学物理学教授、LUX 项目的联合创始人 Tom Shutt 所解释的那样，“我们一直提心吊胆，想知道这个‘罐子’的密封性有多好。”
然而，在提起“罐子”之前，团队必须完成“骨架”本身。目前，它不过是悬挂在圆顶内缘的六根细钛带。下一步任务是插入构成“骨架”主体的大块三块圆形磁盘。其中一位物理学家手动操作一个小叉车，将一块铜盘抬到腰部高度，其他人则调整一个临时支撑架，以便在他们进行最终调整以将其固定到钛带上时支撑住它。这个过程继续进行于所有三块磁盘：抬起，拧紧，调整，商议，调整。
物理学家们沿着“骨架”工作，直到最后他们跪在地板上，将螺栓拧入最后一块铜板，距离地面仅约六英寸。他们依次慢慢地坐下来，或者站起来观察他们的工作成果。负责协调“罐子”制造的 Shutt 接下来要出场了。他告辞，然后前往洁净室的门厅穿戴装备。（普通灰尘，那种你可能从任何地方带进来的灰尘，可能含有高水平的放射性，如果探测器确实发现了暗物质，这可能会掩盖信号。）
很快，又有一名研究生加入了，洁净室变得拥挤起来。六名物理学家将装有“骨架”的框架推到一边，打开了坑道的格栅。其中一人爬下去，将两根电缆连接到“罐子”上，然后迅速爬出来。电缆穿过框架上的两个滑轮，团队将其滑回原位。他们在电缆的另一端挂上重物，形成一个简单的电梯，然后开始缓慢地将“罐子”向上提起并围绕“骨架”旋转。Shutt 站在一旁，双手张开，手指像等待拆礼物一样兴奋地摆动。
LUX 项目的其他科学家也聚集起来，迎接这个重要时刻——他们将看到“罐子”是否能真正合上以形成一个功能性的探测器。我被挤到旁边的窗户边，那是研究生们聚集的地方。当“罐子”接近顶部时，低语声渐渐消失。“骨架”完美地滑入了位置。但是，距离圆顶不到一英寸的地方，本应卡入位的“罐子”却卡住了。Shutt 和他的团队试图向上推动它，也试着推它，但它就是不动。物理学家们怀疑“罐子”的尺寸或“骨架”的形状不对。尽管出现了这个明显的挫折，他们还是兴致勃勃地拍了几张照片。然后，他们有条不紊地将“罐子”放回坑道。他们明天会再试一次。
没有人知道暗物质是什么，甚至它是否真的存在。目前，它只是一个占位符，一个必须代入各种计算的“x”，以便将天文观测结果与牛顿物理学的规则相吻合。这个名字来源于 1933 年的瑞士天文学家弗里茨·茨威基（Fritz Zwicky），他使用两种公认的方法计算了后发座星系团（Coma cluster）的质量。后发座星系团包含 1000 多个星系。一种计算方法是根据牛顿第二定律推断的星系团中八个星系的运动速度，该定律基本上表示，星系越大，旋转速度越快。另一种方法是通过量化其恒星发出的光量来估计星系团的总质量。
结果本应相等，但基于运动的数字却是一个数量级更大。后发座星系团的星系旋转速度远远快于其发出的总光量所能预测的速度。为了使牛顿方程成立，必须有更多的质量。茨威基将这种缺失的质量称为“暗物质”。
茨威基的工作在 1970 年才被广泛关注，当时另一位天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）在仙女座星系（Andromeda galaxy）中发现了类似的差异。此后，研究人员发现，其他数百个星系中的可见质量也太小，不足以解释其运动速率，至少在我们目前的物理学理解范围内是这样。天文学家还发现了看不见的“引力透镜”，它们会导致光线绕其弯曲——尽管这些透镜本身没有任何可识别的质量来扭曲时空并弯曲光线。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（但绝非全部）物理学家都同意暗物质的存在，并且它很可能由他们称之为 WIMP（弱相互作用大质量粒子）的物质构成。“大质量”并不意味着粒子很大，而是指它们有质量，因此既对引力做出反应，又产生引力。“弱相互作用”意味着这些粒子虽然有质量，但仍然很少与物质相互作用。科学家们还假设 WIMP 是电磁中性的，这就是为什么我们看不到它们。事实上，到目前为止，所有关于暗物质存在的论证都是通过推断得出的。没有人真正直接观测到这种物质。
包括鲁宾在内的许多科学家对 WIMP 理论持怀疑态度，有些甚至怀疑暗物质本身的概念；他们认为牛顿物理学可能根本无法描述星系尺度的运动。当我问到 Shutt 在 Case Western 的合作伙伴、LUX 项目的主要研究员 Dan Akerib 为什么 WIMP 是最受欢迎的候选者时，他采用了标准的科学立场——WIMP 只是目前最好的理论：“一个很‘损’的说法就是，WIMP 是最不‘离谱’的寻找目标。”
LUX 和其他竞争项目就是这样出现的，它们都基于 WIMP 的存在。当天文学家在宇宙中发现暗物质的证据时，它似乎分布不均。从引力上看，它的行为与普通物质相似：它会聚集在一起。暗物质理论家目前怀疑它集中在一个包围大多数星系的球状云中。随着我们的太阳系在银河系中旋转，它和星系都在这些云中的一个区域移动，云中的粒子——WIMP——以大约每平方厘米每秒 100,000 个的速度穿过地球和上面的所有物体，这是物理学家们估计的。
LUX 的物理学家和运行大约 10 个竞争项目的团队希望能够捕捉到 WIMP。其他探测器（有些使用锗作为探测材料，有些使用液态氙，就像 LUX 一样）都埋藏在地下，在旧矿井、下水道或山脉下方，以屏蔽来自其他可能伪装成 WIMP 的宇宙粒子的干扰。
大多数 WIMP 会逃过探测介质，但 Shutt 和 Akerib 理论认为，每年大约有三到四次会与 LUX 罐中 1.6 亿亿（即十亿的十亿倍）个氙原子中的一个原子核发生碰撞，当这种情况发生时，它会产生两次微小的光闪——这是暗物质存在的第一个直接证据。
经过又一整天的提升、拧紧和调整，“罐子”仍然不合适。于是 Shutt 找我帮忙，开车送他和一位学生去附近的死木镇（Deadwood）的五金店。死木镇就是传说中的西部执法官比尔·希科克（Bill Hickok）玩完最后一把牌的地方。现在的计划是打磨“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卡住了“骨架”。为此，Shutt 需要一个 Dremel 旋转工具和几个钻石钻头。他似乎对这个价值 300 万美元的探测器（用于确定宇宙的真实性质）因为一个 80 美元的电动工具而陷入停滞的事实毫不在意。
打磨焊缝通常是一项简单的任务。但“罐子”是由钛制成的，钛的硬度极高。实验室才建成六个月，还没有现场机加工车间或多少工具。如果 Shutt 将“罐子”交给一个不熟悉的店铺，他就有可能将 LUX 暴露于金属粉尘的低水平放射性，这些粉尘就像灰尘一样，可能会掩盖 WIMP 信号。每一颗螺母和螺栓都必须尽可能做到无辐射，所以它接触到的每一个材料或到过的每一个地点都必须经过仔细审查。团队将在第二天一早开始在洁净室里打磨焊缝。
五金店光线充足的货架上摆满了家用油漆和汽车零件，以及为了迎合当地人骑摩托车的习惯而销售的、一种叫做“Anti Monkey Butt”的炉甘石和玉米淀粉混合制成的鞍部疼痛缓解剂。Shutt 问一位穿着工作服的女士 Dremel 在哪里，我们直接走向一个中央过道，在那里我们找到了一打 Dremel，它们放在一个固定在墙上的板子下方，板子上挂着数百个装满小塑料盒的钻头。Shutt 抓起一把把包装，扫描标签寻找钻石钻头，钻石不会发出放射性，并指示他的学生也这样做。他说，在过去的几年里，他花了超过 60,000 美元在 eBay 上购买零件，包括精密清洗的钻头、涡轮泵和价值 10,000 美元的轨道焊接配件。Akerib 估计，团队还进行了数百次 McMaster Carr 的订单。
在我们继续搜索的同时，一位年轻的、戴眼镜的店员，留着稀疏的红胡子，走了过来，准备提供帮助。我一直期待着能亲眼目睹一次物理学家与当地居民的互动。科学家们讲给我的故事有一个共同的主题：住在该地区的人们热爱发生在他们城镇周围（和地下）的庞大的物理项目。他们会在酒吧、杂货店、加油站和 YMCA 的桑拿房与物理学家交流，表达他们的支持。超过 100 人参加了 Shutt 和项目联合创始人、布朗大学的 Rick Gaitskell 举办的关于暗物质的讲座，会后听众们还跟着他们去当地一家酒吧继续畅谈。镇上的游客中心销售印有实验室标志和“寻找 WIMP 的书呆子”字样的 T 恤。
“这些 Dremel 包装盒里有各种不同的附件，”店员说，他从货架上拿下一个盒子。“我们不需要附件，”Shutt 说，他翻阅着装有单独钻头的塑料盒子。“我们需要你最强大的马达。”他们又来回说了几句。有没有带各种钻头的？不行，我们需要钻石的。这些钻石钻头呢？不行，不够大。这个呢，也许？不行。最后，店员转向我，问我们是哪里来的。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，看着堆积如上的钻头。然后他问：“所以，进展怎么样？”
LUX 团队的竞争对手们，虽然在某些项目上进展更快，但也面临着各自的问题。其中一个项目“低温暗物质搜寻 II”（Cryogenic Dark Matter Search II）位于明尼苏达州的一个旧铁矿。那里的物理学家在 2009 年 12 月曾一度引起轰动，他们认为自己探测到了两个 WIMP 信号。事后都证明是虚惊一场，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 藏在意大利中部的大萨索山（Gran Sasso mountain）下，已经投入使用。顾名思义，Xenon100 使用的技术与 LUX 类似。但 Xenon100 的探测器罐比 LUX 的小得多，灵敏度也较低。到目前为止，它还没有探测到任何东西。
研究人员还正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，而是利用地球和空间望远镜寻找当两个 WIMP 碰撞并湮灭时预计产生的奇怪粒子（粒子理论支持的现象）。与此同时，在瑞士的大型强子对撞机（Large Hadron Collider）的物理学家们正试图通过将质子相互撞击来“从零开始”制造自己的 WIMP。一个合成的 WIMP 可以帮助物理学家校准他们的探测器，以便在正确的能量范围内寻找天然粒子，但到目前为止，科学家们还未能制造出一个。
所有这些努力都很昂贵，因此暗物质的搜寻在开展这些工作的城镇创造了一种“繁荣”。例如，在利德镇，桑福德实验室正导致当地房地产市场罕见地上涨，为当地商店和餐馆带来额外生意，并雇佣了数百名当地居民，从矿井维护工人到地质学家再到人力资源经理。而这个实验室只是更大规模的 DUSEL 项目的第一阶段，该项目预计将获得超过 8.75 亿美元的联邦政府拨款，并已从州政府获得 4730 万美元，从私人捐助者那里获得 7000 万美元。这将用于将霍姆斯特克矿 370 英里的隧道和 186 英亩的地表改造为 DUSEL 综合体：物理实验室，包括 LUX 的继任者（这些继任者将拥有更大的氙气罐，从而提高捕捉 WIMP 的几率）。
就像之前的霍姆斯特克矿业公司一样，DUSEL 预定将利德镇变成一个“公司小镇”。霍姆斯特克不仅仅是一个雇主；它影响了社区几乎所有其他方面。市长 Tom Nelson 的祖父、父亲和兄弟都曾在矿上工作，他说：“如果利德需要什么，霍姆斯特克就会建造什么。”“他们建造了供水系统，带来了电力，修建了铁路，医院，娱乐中心，公司商店，银行。一切都是公司。”桑福德实验室和即将推出的 DUSEL 项目可能不会经营利德当地的诊所或银行，但它会带来资金和就业机会。慈善家、也是实验室的命名者 T. Denny Sanford 将他的 7000 万美元捐款中的 2000 万美元专门用于一个科学教育中心，在那里 DUSEL 的研究人员将进行讲座，学生们将获得实际的地下物理学经验。该项目的年度运营预算为 2300 万美元，其中一半以上在当地用于与当地供应商或承包商的交易。大约 70 名前矿工现在在南达科他州科学技术局（South Dakota Science and Technology Authority）工作，该机构是为了将房产从矿山转变为实验室而设立的。
除了利德镇，还有一个更大的社区——整个粒子物理学和天体物理学界——都在为这个项目的成功而欢呼。如果没有 WIMP，物理学的标准模型（支配所有已知亚原子粒子相互作用的理论）将变得薄弱，科学家们将不得不重新思考他们对亚原子物理学的假设。而且，如果没有暗物质存在的确凿证据，我们对宇宙组成的根本理解将崩塌。“如果最终发现暗物质不是由 WIMP 组成的，那么在哲学意义上，这将比个人感受更加令人失望，因为人类将不知道暗物质是什么，”Shutt 说。“我们已经做好了可能自己找不到它的准备。但是，如果我们作为一个整体社区找不到它，那将是极其令人失望的。”
又过了一整天，“罐子”仍然不合适。不过这次，我穿戴着借来的洁净室服装，站在窗户的另一边。Shutt 和我正向下窥视坑道，在那里，“罐子”侧卧着，两只穿着 Tyvek 服的腿从一端伸出来，就像一个戴着巨大金属派对帽的人向前趴下。新的 Dremel 发出刺耳的尖叫声，然后打磨声停止了。我的耳朵嗡嗡作响。那两条腿向外伸了伸，露出了它们是来自德克萨斯 A&M 大学（Texas A&M University）的另一位 LUX 研究员 James White，他抬起头看着我：“你想来帮忙吗？”
我没想到会被指派工作。我爬下梯子进入坑道，White 把 Dremel 交给我。他在“罐子”顶部附近的一个焊缝上演示；我需要处理的部分在里面更远的地方，靠近底部，那里只有一个人的空间。这是一个狭窄的空间。我折叠着胳膊和膝盖，这种姿势我无法长时间保持。一名研究生用一个明亮的灯光照射着“罐子”底部的法兰，偶尔还拍下我的照片。我用戴着手套的手指沿着那条错误的焊缝摸索。很难相信如此微小的一件事会引起这么多问题。我将 Dremel 的钻头牢牢地按在上面。当我开始打磨时，火花四溅。声音震耳欲聋。
我很想告诉你，我的 Dremel 打磨拯救了这一天，不久之后我们就成功地将“罐子”吊了起来。但我们没有。经过几个小时的打磨和一个烧坏的 80 美元 Dremel 马达后，“罐子”仍然不合适。事实证明，LUX 团队又花了两个星期才完成“罐子”的安装工作。后来，我在九月份与物理学家们交谈时得知，成功的关键是打磨掉“骨架”上的一些铜件，因为铜比钛更容易打磨。在我访问期间，直到那时，团队还面临了至少五起类似的小但可能危及任务的挑战，其中包括一次螺栓卡死（这是由于强力清洁导致法兰和旋入其中的杆的螺纹如此光滑，以至于它们在分子水平上粘在一起），这需要紧急寻找润滑剂和钢锯。
现在 LUX 已完成 95%。团队正准备进行几次初步的试运行，他们会将装有氙气的探测器放入实验室楼下两层的一个 66,000 加仑（约 25 万升）的罐子里，看看它的运行情况。接下来，他们将在今年晚些时候开始将 LUX 装置安装到地下 4,850 英尺深处。然后，等待就开始了，物理学家们和利德镇的居民们共同希望，这个多年来产出如此巨大财富的巨大矿坑，将继续为他们提供经济上的稳定——也许还能揭示理解宇宙的秘密。
