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在笼门嘎啦嘎啦关上，我们开始15分钟下降4850英尺进入地下前的那一刻，短暂地寂静了。我们挤在里面：大约30名物理学家、工程师、生物学家，以及——主要是——矿工。实际上是前矿工。这里已经有18年没有进行采矿活动了。操作升降机的人员通知上面的绞车操作员，吊舱已满，我们可以出发了。在一个短暂而令人陶醉的时刻，我们悬挂在北美最大、最深的金矿旧址上方，一切都安静了下来。那天二月的下午，在南达科他州寒冷刺骨的风声隐约从黑山呼啸而过，提醒着我们即将离开的一切，整个世界。当我们开始下降时。
并且下降。
并且下降。
吊舱缓慢而稳定地移动，每秒大约五英尺。我们经过通往较浅楼层的开口，那里黑暗潮湿，水滴不断。生物学家们在这里进行研究，从淤泥中刮取细菌，研究极端微生物，以考虑可能存在于其他行星上的生命形式。这无疑是一个史诗般的谜团，但我们的目的地更远：位于南达科他州迪德伍德镇附近，前霍姆斯特克矿（Homestake Mine）的4850层，现在是桑福德地下研究设施（Sanford Underground Research Facility，简称SURF）。在这里，来自世界各地的物理学家正试图解决一个比生命本身更基本的问题。也就是说，宇宙主要由什么构成？
质子、中子、电子——这些我们都很熟悉。甚至可以说是基本粒子。我们也已经发现了更奇特、更小的亚原子物质：阿尔法粒子、贝塔粒子、夸克、中微子。即便如此，它们加起来也不够。远不够。为了让存在成为可能，为了让星系以它们的方式旋转，为了让遥远恒星的光线以其所示的方式弯曲，外面必须有比我们迄今为止所见到的要多得多的东西。标准模型，它对所有基本粒子进行分类，仅占宇宙质量的16%。这意味着还剩下84%。关于这个剩余部分可能是什么，有几种理论，但它们都有同一个名字：暗物质。
暗物质的实际性质是激烈争论的课题。它可能是一种东西，一种粒子，类似于质子；也可能是一些不同的东西，比如电子，也可能是夸克。在我们找到确凿证据之前，我们不会真正确切地知道。这个笼子正在下降的那个复杂实验的目的就是找到这些证据。
在这里的深处，远离我们周围一切辐射的嗡嗡干扰，坐落着一个极其复杂的探测器——我们可以称之为相机陷阱。它被设计和建造出来，用于记录暗物质的主要候选者——一种被称为WIMP（弱相互作用大质量粒子）的物理学独角兽——的存在。该项目核心是一个五英尺高的储罐，里面装有全球年度液态氙供应量的四分之一。如果一个WIMP穿过，它有可能掠过一个氙原子核，这将发出一个光闪，一个光子。一旦该装置上线——最早在2020年底——它将运行五年。届时，团队要么会找到一种可能是暗物质粒子的证据，要么……就找不到。该项目被称为LUX-ZEPLIN，或LZ。LUX代表Large Underground Xenon（大型地下氙），ZEPLIN代表ZonEd Proportional scintillation in LIquid Noble gases（液态惰性气体中区域化比例闪烁）。这可能是我们迄今为止发现WIMP的最佳机会。
“这是物理学最令人兴奋的时期，因为我们面前仍然存在着真正巨大的谜团，”劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的高级物理学家、LZ项目协调员凯文·莱斯科（Kevin Lesko）说。2020年初，探测器正处于组装的最后阶段。物理学家和工程师团队每天早上8点到午夜分两班倒，进行一项历时五年、需要从光子探测到计算机建模等各种领域专家，以及来自七个国家约37个机构的参与的实验。“人们喜欢说我们懂得解释宇宙。而现在，我们正试图弄清宇宙的宏观图景，”莱斯科谈到这项庞大的集体努力时说道。
氙气储罐是填补这张图的关键工具，通过确定大部分物质可能是什么。2019年10月，它通过吊舱运往竖井，这是一个精心策划的一整天的活动，几乎没有出错或碰撞的空间。一次失误和碰撞，加上多年的计划和数百万美元的研发投入，都会白白浪费。
暗物质的证据无处不在，尽管我们尚未窥见其本身。1933年，一位在加州理工学院（Caltech）工作的瑞士天文学家弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）注意到，星系团的速度似乎说不通：可见物质的引力不足以阻止星系团的扩散。要使这些天体像现在这样聚集在一起，必须有一些看不见的质量（加上引力）在帮助将它们拉在一起。20世纪70年代，天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）正在研究仙女座星系的旋臂，令人惊讶地发现，外缘的恒星运动速度与中心的一样快，这违反了开普勒第三定律（在这种情况下是星系自转定律），该定律认为围绕核心旋转的物体，其速度应随着距离中心距离的增加而减慢。它们并没有减慢，这表明更远处的质量影响着这些天体。还有其他线索，比如遥远恒星的光线在我们到达之前弯曲的方式，以及宇宙微波背景辐射的稳定性，以及星系的椭圆和螺旋形状。所有这些都指向一个巨大、不发光、看不见的质量的存在。
向外望去，我们可以感受到暗物质对宇宙形态和外观的影响，但所有这些证据都是间接的，是阴影的阴影。这种看不见的东西将仍然是一个谜，直到物理学家能够观测到构成它的粒子，而他们已经尝试了大约30年。一些实验试图通过高能望远镜（如费米伽马射线空间望远镜）寻找暗物质衰变的证据，从而绘制出一幅指向暗物质的图表。他们称这种方法为间接探测。
其他技术则试图创造暗物质。自2012年以来，物理学家一直在运行可能做到这一点的实验——在位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（Large Hadron Collider）粒子加速器上。这些集体称为ATLAS的实验，通过将质子撞击在一起，模拟宇宙形成时——包括理论上暗物质形成时——的大爆炸情况。通过比较他们知道进入加速器的能量与测量出来的结果，科学家们可能会证明其存在。
更常见的是，暗物质侦探想要确凿的证据。也就是说，他们想要直接探测它。但同样，没人确切知道他们在寻找什么。除了WIMP之外，还有一个潜在的嫌疑犯：一种名为轴子（axion）的理论粒子。如果它们存在，轴子将有助于解释为什么中子，即使里面有带电夸克在活动，也能够保持中性。它们的质量也比电子小一万亿倍，这意味着数万亿个轴子可以容纳在一个糖块大小的空间里。物理学家认为，发现它们的诀窍在于加速它们否则就极其缓慢的衰变成光子，而光子相对容易被发现。华盛顿大学（University of Washington）的一个团队建造的探测器，利用一个巨大而极其强大的磁铁来加快这一速度，同时一个调谐到可能衰变产生的微波频率的谐振器则在密切监视。
然而，在科学家们多年来提出的各种暗物质构成猜想——包括原初黑洞到质量相当于太阳一半的MACHOs（大质量天体紧致晕对象）——中，WIMPs一直是主要目标。如果它们确实存在，它们将与另一个流行的理论物理学概念——超对称性（supersymmetry）——完美契合。超对称性认为，我们看到的每一种质量都有一个非发光的对应体，就像阴阳一样。如果这个想法是正确的，那么我们根据标准模型计算出的所有东西，都将与WIMP的存在相呼应。宇宙，无论看起来多么不可知和混乱，都倾向于像这样的优雅解决方案。或者说，像这样的优雅解决方案倾向于解释宇宙。
然而，即使在WIMP的世界里，问题依然存在。这些粒子可能存在于各种质量范围内，从大约一个质子的质量到10万个质子的质量。一个名为SuperCDMS的实验，正在寻找比LZ更小的WIMPs。它位于加拿大安大略省的一个镍矿，依靠六个硅或锗晶体探测器；如果一个WIMP击中其中一个并扰动了晶体的电子，相互作用将产生振动，这是一个可以被放大的信号。该设备运行在-450°F（约-268°C）的低温下，以消除热能产生的噪音。它也位于地下深处——6800英尺（约2073米）——远离日常生活中的放射性，以及来自星星到你的帆布鞋底的一切宇宙干扰。
还有另一个基于氙气的WIMP探测尝试，这是一项位于意大利大萨索山（Gran Sasso mountain）下方的国际合作项目——恰当地命名为XENON。参与的科学家们在2020年6月宣布，他们的实验正在记录额外的背景信号，这可能最终证明轴子的存在。或者可能是中微子。或者污染的结果。就像暗物质的许多方面一样，数据似乎总是在颠覆现实的边缘，但最终却什么都不是。
莱斯科在地下实验（包括LZ的前身LUX）方面已经工作了近30年，他解释了为什么这些努力总是发生在地下深处。他打了个比方：“想象一下，你正试图听到一声耳语。你在纽约市中心听，你肯定听不到，噪音太多了。你需要远离我们的背景干扰——我们不断遭受的宇宙射线和杂乱的信号会掩盖我们正在寻找的极其罕见的信号。”但莱斯科在这里打住了自己：信号，粒子，“不一定罕见，罕见的是它们与我们可观测到的事物的相互作用。”
观测挑战导致了对消除一切潜在干扰的近乎痴迷。这就是为什么当莱斯科（当然是在疫情之前）每周飞往莱德，在矿场改建的实验室呆一周时，他和团队大部分的工作就是保持一切尽可能地清洁。这在任何地方都是一项艰巨的任务，但在一条深入岩石的隧道里，其难度更是荒谬。
笼门在4850层打开，我们 all marched out。科学家和工作人员团队挤进电动矿车——矿车！——前往一个四分之一英里长、黑暗、泥土地面的通道，通往更远的实验室。更靠近升降机将我们送到的地方，我换下了靴子，穿上一双从未离开过这个空间的、非常干净的越野跑鞋。我擦了擦我的手机、笔、笔记本和手，然后踩过一个粘乎乎的地板，清除鞋子上的任何灰尘，然后沿着一条长长的走廊，来到LZ正在组装的房间。门外传来一阵长长的、高亢的哨声，听起来像可怕的尖叫声。
“那是我们通过管道输送的液氮——它很吵！”劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家亚伦·马纳莱赛（Aaron Manalaysay）在气体般的嚎叫声中大喊。马纳莱赛和一群研究生在这里工作了几个月，完成了LZ数千个部件的组装，几乎占满了整个房间。
当尖叫声平息后，我们穿过一扇双开门，走进空间。我原以为首先会看到LZ实验中心的储罐，巨大而闪闪发光。但取而代之的是一排排从传感器连接到外部计算机堆栈的管道和电线；一个用于将氙气冷却到-163°F（约-108°C）以下（氙气液化温度）的低温面板，以帮助降低储罐内部的背景干扰；悬挂在仍在组装区域周围的塑料帘；通风管道、储物柜、橙色锥形筒和警告标志。在这一切的中间，是一个20英尺高的、弯曲的 Edelstahl 结构：LZ储罐的第一层。它将装满70,000加仑的水，以进一步缓冲内部氙气室——某种意义上，一个巨大的保温瓶。
A. 设定目标：暗物质粒子，可能是WIMPs，包围并穿过包括LZ在内的一切，即使我们没有注意到它们。
B. 消除噪音：为了提高探测到它们的几率，物理学家们用多层来缓冲WIMP陷阱，最内层是钛金属储罐。
C. 安静等待：储罐内约11吨惰性氙气创造了一个平静的空间，用于观察暗物质活动。
D. 相互作用：如果一个WIMP掠过一个氙原子核，碰撞将引发能量的火花：一股光子。
E. 捕捉闪光：数百个3英寸宽的光子探测器嵌套在结构顶部和底部的圆圈中，放大任何活动。
F. 记录信号：阵列将光子脉冲转换为电子——数据点，指示储罐内发生相互作用的位置。Maxwell Erwin
透过一个狭小、沉重、打开的观察孔，可以看到内部圣殿——氙气储罐。为什么选择氙气？它非常致密，而且作为惰性气体的一种，它不活泼。大多数时候，它不与接触到的物质发生反应。换句话说，它极其安静。因此，元素内部的反应往往很突出，这正是你试图探测可能证明暗物质存在的突然闪光时想要的。在这个钛容器内部是光子探测器——陷阱中的“相机”：数百根3英寸宽的管子，蜂窝状地排列在巨大容器顶部和底部的两个近5英尺直径的圆圈中。
我们从观察孔退出来，爬上一个梯子，来到外罐中部的夹层，那里物理学研究员、伦敦大学学院（University College London）的特蕾莎·弗鲁斯（Theresa Fruth）正在研究探测器。她正在测试它们在整个系统中的功能。她解释说，这些管子充当了捕获和放大的装置。当一个粒子（无论是WIMP还是其他粒子）穿过储罐并撞击氙原子核时，结果是能量，以光的形式出现：一个光子，或者更可能是多个光子。阵列吸收这些光子，并将它们转换为电子。每一个电子都代表一个数据点——X、Y和Z坐标——显示该区域内相互作用的来源。
绝大多数事件将源于周围岩壁的衰变。“那会发生的，”弗鲁斯说。“我们不在乎。”物理学家们知道这些信号看起来是什么样子，可以轻易忽略它们。此外，她解释说，拥有如此大量的氙气的好处之一是，它的外围——以及储罐本身、水、另一个储罐以及上方一英里的土壤——都充当了缓冲。“如果我们靠近中心，噪音就会大大减小。”这里就是他们可能找到暗物质的地方。或者“我们可以合理地寻找罕见的相互作用”。
如果一个罕见的相互作用发生在储罐内部，它可能会悄无声息地发生，无人察觉。最后的技巧，也许是最棘手的，就是确保我们在所有其他活动中都能注意到这个活动的闪光。一旦LZ上线，它每年将记录大约10亿次相互作用。这些PB（拍字节）级别的数据由玛丽亚·埃琳娜·蒙扎尼（Maria Elena Monzani）负责。她在斯坦福大学的SLAC国家加速器实验室（SLAC National Accelerator Laboratory）工作，负责LUX-ZEPLIN的软件和计算基础设施。
因为没有人见过暗物质相互作用，所以重要的是要尽量确保我们实际看到的一切都是真实的。蒙扎尼负责对所有“已知”事物进行编目和建模，以便于未知事物脱颖而出。“我们将有数十亿次事件，而暗物质只占其中一小部分，”蒙扎尼说。“弄清楚这数十亿次事件是什么非常重要。一旦你明白了，你就能知道，‘啊，这是某种东西。’”
蒙扎尼负责一项能够抵御大脑看到不存在的事物（模式、粒子）的冲动的工作。她让全球各地数个排的物理学家在两个数据中心运行LZ的完整模拟。他们正在校准机器、算法，以及，是的，人类。为了校准人，蒙扎尼和她的团队从LZ储罐的模拟中生成数据集，然后，狡猾地，添加看起来就像真实情况的额外数据——这种方法称为“加盐”（salting）。
蒙扎尼的团队会输入看起来像是WIMP留下的能量的数据。他们知道这些标记是假的，但他们的分析师不知道，从而创造了一个盲测，以减少物理学家们真正想找到令人兴奋的相互作用而可能产生的偏见。测试运行完成后，蒙扎尼的团队会揭示哪些信号是安慰剂。剩下的就是 LZ模拟产生的“真实”信号（当实验上线并开始接收实时数据时，他们将重复这个过程）。每个人都想找到暗物质。加盐训练他们诚实。
在春季中期，运行LZ系统的无数次模拟成为工作的重点。2020年3月，COVID-19大流行迫使该设施停止了现场工作，只保留了关键的维护。一些科学家留在了镇上，因为旅行——尤其是国际旅行——似乎很危险，而莱德（人口3021）是一个足够宜人的地方，可以被困住，无论需要多长时间，直到 virus 引起的僵局结束。
地面上仍有很多工作要做，很多校准需要完善。无论何时开始，都需要五年时间来搜寻WIMP，收集足够的数据来知道该粒子是否在LZ的探测范围内。而且，正如项目协调员莱斯科指出的那样，数月来的双班倒工作已经得到了回报：他们在4850层几乎完成了组装，项目处于稳定和安全的状态。在疫情期间，很少有地方比接近一英里深的地下更安全了。
尽管如此，他们和其他人一样，也想知道这一切何时会结束：何时才能全面恢复实验，以及一旦恢复——当LZ储罐密封，探测器阵列严阵以待时——他们是否能找到任何东西。过去三十年里，近十二次试图捕捉WIMP一丝光芒的尝试都没有成功。然而，像弗鲁斯（光子探测器专家）这样的团队成员，对他们毕生努力可能一无所获的可能性持乐观态度。“知道它不是某种东西，仍然是有价值的，”她说。当你不知道WIMP到底是什么时，弄清楚它不是什么也有其价值。
与不确定性共存并思考未知，对他们来说是一个舒适的空间，因为这就是科学家所做的——尤其是那些参与这项持续搜寻的物理学家。弗鲁斯将暗物质比作一张未填满的地图的空白部分，“这里有怪物”的区域。“我们画这条线，”她说，“然后说，‘看，我们在这条线之外一无所知。’然后我们再往前推一点，知道得更多一点。这条线会移动，而我们跟着它一起移动。”
这个故事刊登在《大众科学》 2020 年秋季“神秘”特刊中。
