De kooi, zoals de lift heet, vertrekt precies om 7.30 uur. Laatkomers hebben pech.

Bijna twee dozijn mensen in overall, veiligheidshelmen en dikke rubberen laarzen pakken de kooi in voordat de zware gele metalen deuren worden gesloten en de langzame afdaling in de duisternis begint. Een gestage stroom water regent op hen neer vanaf de houten planken die de liftschacht ondersteunen, die continu nat moet worden gehouden om rot te voorkomen. Niemand lijkt het erg te vinden. Het gesprek gaat over het gezinsleven, weekendplannen en wat er voor de lunch is.

Ongeveer 10 minuten later, bijna een mijl naar beneden, de lift bonkt tot stilstand. Als de deuren opengaan, je stapt een grot binnen met ruwe rotswanden.

Tot 2002, dit was een werkende goudmijn in de Black Hills in South Dakota. Mijnwerkers beschoten ooit de rotswanden met explosieven. De spoorrails onder de voeten droegen karren beladen met voorraden naar de oppervlakte. Nu worden ze gebruikt om minitreinen met materieel en personeel diep de tunnels in te sturen die zich in alle richtingen uitstrekken.

Een eindje verderop in een gang is een schone kamer waar u uw overall moet verschonen, was je laarzen en maak je bezittingen schoon met ontsmettingsalcohol. Naarmate je verder loopt, het begint meer op een gewone, hoewel raamloze, werkplek te lijken. Slangen lopen boven en langs de muren. Bureaus drukken tegen een kant van de gang. Er is zelfs een espressomachine en een panini-apparaat.

Aan het einde van de gang, een paar deuren zwaaien open en onthullen een wetenschappelijk laboratorium, de Davis Campus in de Sanford Underground Research Facility. Het is genoemd naar Ray Davis, de eerste natuurkundige die experimenteel neutrino's detecteerde die door de zon worden uitgezonden. In de jaren 1960, terwijl de mijn nog een mijn was, Davis deed hier zijn baanbrekende werk. Vandaag, de ruimte lijkt op het hol van een schurk in een oude James Bond-film. Onderzoekers rennen rond, het controleren van apparatuur en monitoren. Op elkaar gestapelde computers zoemen.

Dit is waar Brandeis-fysicus Bjoern Penning en zijn lab, samen met 250 andere onderzoekers van over de hele wereld, zijn op zoek naar de ultieme schat in de deeltjesfysica:donkere materie. Een van de meest ongrijpbare maar alomtegenwoordige stoffen in het universum, donkere materie blijft een van de grote wetenschappelijke mysteries.

Maar Penning en zijn collega-onderzoekers staan ​​​​op het punt om het te kraken.

Regeren WIMPS het universum?

In de jaren 1920, werken bovenop Mount Wilson in Zuid-Californië, met behulp van wat toen de krachtigste telescoop ter wereld was, Caltech-astronoom Fritz Zwicky merkte iets eigenaardigs op aan de beweging van sterrenstelsels op honderden miljoenen lichtjaren afstand.

De sterren die de in Zwitserland geboren Zwicky bestudeerde, maakten deel uit van een melkweggroep die bekend staat als de Coma Cluster. De sterrenstelsels van de Coma Cluster draaien rond het centrum, net zoals de planeten van ons zonnestelsel rond de zon draaien. Door nauwgezet werk, Zwicky berekende de massa van de centrale sterrenstelsels van Coma om de zwaartekracht te bepalen die ze uitoefenden; hoe groter de massa, hoe groter de zwaartekracht.

Zwicky ontdekte al snel dat zijn cijfers niet klopten. De massa van de centrale sterrenstelsels was niet groot genoeg om voldoende zwaartekracht te genereren om de perifere sterrenstelsels in een baan met hen te houden. De perifere sterrenstelsels hadden uit Coma moeten breken en de ruimte in moeten razen.

Er was maar één conclusie. Er moet extra massa in het Coma-systeem zijn om alle sterrenstelsels bij elkaar te houden, massa die niet van de sterren zelf komt, maar van de ruimte ertussen, aan het zicht onttrokken door de zwartheid van de ruimte. Op een conferentie in 1933, Zwicky theoretiseerde dat deze onbekende stof Dunkle Materie was, of donkere materie.

Zwicky's theorie werd de volgende 40 jaar prompt vergeten. Vervolgens, In de jaren zeventig, De Amerikaanse astronoom Vera Rubin voerde berekeningen uit die vergelijkbaar waren met die van Zwicky op de Andromeda Galaxy. Inwrijven, een van de weinige vrouwen in haar vakgebied, werkte bij het Palomar Observatory in Zuid-Californië (waar ze een omtrek van een rok moest bevestigen aan het mannenpictogram op een toiletdeur om een ​​damestoilet te creëren). Haar resultaten bevestigden wat Zwicky had gevonden, zijn donkere-materietheorie nieuw leven inblazen.

Daaropvolgende studies hebben geleid tot een nieuw besef van hoe weinig we weten over het universum. Atomen, het blijkt, minder dan 5% van alle materie uitmaken. Donkere materie is goed voor 27%. De rest van het universum bestaat uit een even mysterieuze substantie die donkere energie wordt genoemd.

Wetenschappers geloven dat donkere materie hoogstwaarschijnlijk bestaat uit subatomaire deeltjes die WIMP's worden genoemd. zwak interagerende massieve deeltjes. WIMP's zijn samen met de meeste andere vormen van materie ontstaan ​​in het vroege heelal, die bestaan ​​uit deeltjes die door krachten zoals elektromagnetisme naar elkaar toe worden getrokken. In tegenstelling tot die deeltjes, WIMP's zijn eenlingen. Ze worden voornamelijk aangetrokken door andere deeltjes door de zwaartekracht, een ongelooflijk zwakke binding vergeleken met de andere krachten die op materie in het universum inwerken.

Hoewel WIMP's overal om ons heen zijn, ze worden niet aangetrokken door de atomen waaruit ons lichaam bestaat. Als geesten, miljarden WIMP's passeren ons elke seconde zonder dat we het ooit weten.

Wanneer WIMP's tegen een atoom botsen, ze produceren een unieke, zeer zwak signaal. Als de zoektocht naar donkere materie bovengronds zou worden uitgevoerd, dit signaal zou worden overstemd door de kosmische straling die van de zon komt, of in onze richting worden geslingerd door instortende of botsende sterren.

Daarom wordt het onderzoek naar donkere materie van SURF uitgevoerd in een verlaten mijn onder de aarde. Het gesteente en het vuil erboven vermindert de kosmische straling met een factor 1 miljard. Bij SURF lopen ook verschillende andere grote wetenschappelijke experimenten, die wordt beheerd door de South Dakota Science and Technology Authority, en gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, de staat South Dakota en particuliere donaties. Ondanks al het vuil, stof en steenslag, deze verlaten mijn is, vanuit het oogpunt van een deeltjesfysicus, een ideaal "schone" omgeving om onderzoek te doen.

Het onmogelijke elimineren

Penning, 41, kwam in 2017 bij Brandeis. Hij groeide op in Spaichingen, een klein stadje in Zuid-Duitsland aan de rand van het Zwarte Woud. Op 7-jarige leeftijd hij kreeg een telescoop voor Kerstmis, richtte het op de sterren en was verslaafd. Een passie voor "Star Trek" volgde natuurlijk. "Omdat ik wist dat ik geen Starfleet-kapitein kon worden, " hij zegt, 'Ik moest doen wat Spock doet:wetenschapsbeambte.'

Aan de nabijgelegen universiteit van Freiburg, hij studeerde deeltjesfysica als zowel een undergraduate en een Ph.D. student. Zijn onderzoek bracht hem naar Illinois om te studeren aan Fermilab, de belangrijkste deeltjesversneller in de VS, waar atomen met bijna de snelheid van het licht tegen elkaar worden geslagen, zodat wetenschappers het puin kunnen analyseren. Daar, hij ontmoette zijn vrouw, Marcelle Soares-Santos, WHO, zoals Penning, is nu een assistent-professor natuurkunde aan Brandeis.

Als faculteitslid aan de Engelse Universiteit van Bristol in het midden van de jaren 2010, Penning werkte bij de Large Hadron Collider in Zwitserland, een nog grotere deeltjesversneller dan Fermilab. Hij maakte deel uit van het team dat in 2012 het bestaan ​​van het Higgs-deeltje bevestigde, het deeltje dat alle andere deeltjes massa geeft. Het was een grote doorbraak:het Higgs was het laatste onontdekte subatomaire deeltje in het zogenaamde standaardmodel van de deeltjesfysica, die, voltooid in de jaren 70, is het meest complete model tot nu toe van hoe het universum werkt.

Maar hoewel het standaardmodel 17 verschillende deeltjes omvat, inclusief quarks, leptonen en neutrino's, het bevat geen WIMP's. Toen de Large Hadron Collider 11 jaar geleden werd gebouwd, wetenschappers hoopten dat het bewijs zou opleveren van deeltjes buiten het standaardmodel. Het heeft niet, waardoor sommige wetenschappers twijfelen aan het bestaan ​​​​van WIMP's en, in plaats daarvan, om te praten over alternatieven zoals axions, steriele neutrino's en WIMPzilla's.

In 2013, onderzoekers maakten de resultaten bekend van hun eerste poging om donkere materie te vinden. Het grote ondergrondse Xenon-experiment met donkere materie, zoals het heette, drie en een half jaar gelopen. Het kwam op niets uit.

Vanaf dat moment, Penning en onderzoekers van universiteiten en laboratoria over de hele wereld hebben hun ontwerp herzien en een nieuwe detector ontwikkeld, de LUX-ZEPLIN, bijna 1, 000 keer gevoeliger dan de LUX. Volgens Penning is de kans op succes veel groter.

De LUX-ZEPLIN detector bestaat uit een reeks geneste zeven, elk ontworpen om verschillende subatomaire deeltjes uit te filteren, zodat, althans in theorie, elk deeltje dat het centrum bereikt, is een WIMP. Om de logica te onderstrepen, Penning citeert Sherlock Holmes:"Als je het onmogelijke hebt geëlimineerd, wat er ook overblijft, hoe onwaarschijnlijk ook, moet de waarheid zijn."

Nog in aanbouw, de buitenste zeef is een roestvrijstalen vat van 26 voet. Omdat water de doorgang van gammastraling en neutronen blokkeert, 70, 000 gallons ultrapuur water zal in het vat worden gegoten om te voorkomen dat deze deeltjes naar binnen stromen.

Een tweede zeef blokkeert neutronen, die een speciaal probleem vormen omdat ze een zwak signaal induceren dat gemakkelijk kan worden aangezien voor WIMP's. Deze zeef bestaat uit 10 12-voet acryltanks die in het water zijn gesuspendeerd en gevuld met vloeibaar gadolinium - neutronen plakken aan gadoliniumatomen - en lineair alkylbenzeen, een veelgebruikt onderdeel van schoonmaakproducten.

Het team van Penning ontwierp de sensoren die de acryltanks omringen. Ze zien eruit als gigantische K-Cups gehuld in witte Tyvek. Wanneer neutronen in contact komen met gadoliniumatomen en worden "gevangen, " worden fotonen uitgezonden. De sensoren detecteren deze fotonen, wat aangeeft dat alles werkt zoals gepland en dat er geen neutronen door de gadoliniumbarrière glippen.

Het binnenste heiligdom van het experiment - het pièce de résistance - is een titanium cilinder van 13 voet gevuld met vloeibaar xenon. Ondergedompeld in het water, de cilinder wordt omringd door de acryltanks.

Als de theorieën van wetenschappers over WIMP's correct zijn, dan is xenon het planetaire element dat het best in staat is om donkere materiedeeltjes te detecteren. Dicht op elkaar gepakt, xenon-atomen kunnen WIMP's verstrikken, het vrijgeven van twee lichtflitsen die detecteerbaar zijn door sensoren in de titanium cilinder om onderzoekers te laten weten dat er donkere materie is gevonden.

Zoals het bouwen van een schip in een fles

In maart 2019, Penning en zijn lab waren bij SURF aan het werk in de roestvrijstalen container van de detector, die leeg was, behalve de titanium cilinder die uiteindelijk het xenon zal bevatten. De Penning-crew - postdoctoraal onderzoeker Ryan Wang, senior werktuigbouwkundig ingenieur Andrei Dushkin, afgestudeerde student Luke Korley en elektrotechnisch ingenieur Richard Studley - bouwen de steiger die rond de binnenmuur zal lopen en de K-Cup-achtige sensoren bevatten die Penning heeft ontworpen.

De Brandeis-wetenschappers hebben slechts een proefrun gedaan met dummy-onderdelen en -apparatuur. Als de detector later dit jaar wordt ingeschakeld, alle andere universiteiten die aan het experiment meewerken, hebben hun deel van het installatieproces in de container voltooid. De Brandeis-crew, de laatste die gaat, zal slechts 3,5 voet tussen de muur en het apparaat van de andere wetenschappers hebben om in te werken. Penning vergelijkt het met het bouwen van een schip in een fles terwijl het in de fles zit. Het vereist veel oefening.

De strikte reinheidsnormen die moeten worden nageleefd, maken de taak bijzonder moeilijk. WIMP's zijn zo zwak dat zelfs een stofje hun signaal kan verduisteren en de sensoren kan afwerpen. Als Pennings team ook maar een stuk gereedschap laat vallen of een schroef laat vallen, de vloer kan gemakkelijk worden afgebroken.

Het Penning-lab werkt dus met een precies ritme. Dushkin gaat een ladder op en af, de metalen staven van de steiger aan elkaar vastschroeven. Korley geeft hem het gereedschap dat hij nodig heeft. Studley knielt op de grond, gebruik een laserniveau om ervoor te zorgen dat de stutten op één lijn liggen. Ze praten niet veel. Ze weten precies wat ze moeten doen.

In de tussentijd, Studley werkt ook aan een probleem waarmee de groep te maken zal krijgen in de dagen voordat de detector operationeel wordt. Ze moeten een ladder mee naar binnen nemen om de steiger op te zetten. Ze banen zich een weg om de cilinder heen totdat ze weer bij de ingang zijn, een klein portaal van 3 meter breed. Maar er zal niet genoeg ruimte zijn om de ladder uit het portaal te duwen. De enige oplossing is een op maat gemaakte ladder die opvouwbaar of demontabel is. Studley zegt dat het te doen is, maar hij is er nog niet helemaal uit.

Tegen het einde van de dag, iedereen begint een vieze stank op te merken, zoals rottende kool of stinkende sokken. Penning zegt dat het is alsof een reus de wind brak.

In feite, het is een ontruimingsoefening. Sommige tunnels waar wetenschappers werken, hebben geen elektriciteit of mobiele telefoonontvangst. De enige manier om ze te bereiken is door stankgas vrij te laten, dat is aardgas met niet-toxische niveaus van de chemische stof ethylmercaptan. Er zijn andere manieren waarop de faciliteit mensen waarschuwt:alarmen, e-mails en sms'jes, maar het stankgas voegt een ingenieus extra veiligheidsniveau toe. Zelfs als je niet wist dat het bedoeld was om een ​​evacuatie op gang te brengen, je zou wanhopig zijn om eruit te komen.

Het stankgas betekent dat het werk voor de dag moet eindigen. De Cage maakt slechts één terugreis in de middag. Die van vandaag zal vroeg moeten zijn. De wetenschappers verdringen zich naar binnen en worden teruggebracht naar de oppervlakte.

Wanneer de donkere-materiedetector van SURF operationeel wordt, zijn honderden sensoren zullen elke seconde miljoenen gegevens verzamelen, zeven dagen per week, 24 uur per dag, voor de komende vijf jaar. De wetenschappers zullen de resultaten op hun computers volgen op hun universiteiten.

Als een WIMP wordt ontdekt, er gaan geen alarmen af, er gaan geen belletjes rinkelen. De onderzoekers zullen eenvoudig een cluster van stippen op een spreidingsdiagram zien. De resultaten zullen worden bekeken, gecontroleerd, dubbel gecontroleerd en beoordeeld door enkele van de taaiste sceptici van het project. Mocht alles uitkomen, ons begrip van het universum zal voor altijd worden getransformeerd.

Ray Davis, die zijn werk deed diep in dezelfde tunnel die nu SURF huisvest, ging verder met het winnen van de Nobelprijs voor de natuurkunde. Als Penning en zijn collega's daarin slagen, ze zouden hetzelfde goud kunnen slaan.

De activiteiten van SURF liggen stil vanwege de COVID-19-pandemie. Wetenschappers verwachten dat het experiment later deze zomer weer van start gaat.