La gabbia, come si chiama l'ascensore, parte esattamente alle 7:30. I ritardatari sono sfortunati.

Quasi due dozzine di persone in tuta, elmetti e stivali di gomma spessi fanno i bagagli all'interno della Gabbia prima che le pesanti porte di metallo giallo vengano chiuse con uno strattone e inizi la lenta discesa nell'oscurità. Un flusso costante d'acqua piove su di loro dalle assi di legno che sostengono il pozzo dell'ascensore, che devono essere mantenuti continuamente bagnati per evitare che marciscano. Nessuno sembra preoccuparsene. Si parla di vita familiare, programmi per il fine settimana e cosa c'è per pranzo.

Circa 10 minuti dopo, quasi un miglio più in basso, l'ascensore si ferma con un tonfo. Quando le porte si aprono, entri in una caverna con pareti di roccia grezza.

Fino al 2002, questa era una miniera d'oro funzionante nelle Black Hills del South Dakota. I minatori una volta hanno fatto esplodere le pareti rocciose con esplosivi. I binari sotto i piedi portavano in superficie carri carichi di provviste. Ora vengono utilizzati per inviare mini-treni con attrezzature e personale in profondità nei tunnel che si estendono in ogni direzione.

Un po' più in là in un corridoio c'è una stanza pulita dove devi cambiarti la tuta, lava gli stivali e pulisci i tuoi averi con alcol denaturato. Mentre cammini più lontano, inizia a sembrare più un posto di lavoro normale, anche se senza finestre. I tubi corrono sopra e lungo le pareti. Le scrivanie premono contro un lato del corridoio. C'è anche una macchina per caffè espresso e una macchina per panini.

Alla fine del corridoio, un paio di porte si aprono per rivelare un laboratorio scientifico, il Davis Campus presso il Sanford Underground Research Facility. Prende il nome da Ray Davis, il primo fisico a rilevare sperimentalmente i neutrini emessi dal sole. Negli anni Sessanta, mentre la miniera era ancora una miniera, Davis ha svolto il suo lavoro pionieristico quaggiù. Oggi, lo spazio ricorda la tana di un cattivo in un vecchio film di James Bond. I ricercatori corrono in giro, apparecchiature di controllo e monitor. Computer impilati uno sopra l'altro ronzano.

Qui è dove il fisico Brandeis Bjoern Penning e il suo laboratorio, insieme ad altri 250 ricercatori da tutto il mondo, stanno cercando l'ultimo tesoro nella fisica delle particelle:la materia oscura. Una delle sostanze più sfuggenti ma onnipresenti nell'universo, la materia oscura rimane uno dei grandi misteri scientifici.

Ma Penning e i suoi colleghi ricercatori potrebbero essere in procinto di risolverlo.

Le WIMPS governano l'universo?

Negli anni '20, lavorando in cima al Monte Wilson, nel sud della California, usando quello che allora era il telescopio più potente del mondo, L'astronomo del Caltech Fritz Zwicky ha notato qualcosa di strano nel movimento delle galassie distanti centinaia di milioni di anni luce.

Le stelle studiate dallo svizzero Zwicky facevano parte di un gruppo di galassie noto come Coma Cluster. Le galassie dell'ammasso della chioma ruotano attorno al suo centro, proprio come i pianeti del nostro sistema solare ruotano attorno al sole. Attraverso un lavoro scrupoloso, Zwicky calcolò la massa delle galassie centrali di Coma per determinare l'attrazione gravitazionale che esercitavano; maggiore è la massa, maggiore è l'attrazione gravitazionale.

Zwicky scoprì presto che i suoi numeri non tornavano. La massa delle galassie centrali non era abbastanza grande da generare abbastanza gravità per mantenere le galassie periferiche in orbita con loro. Le galassie periferiche avrebbero dovuto liberarsi da Coma e lanciarsi nello spazio.

C'era solo una conclusione. Ci deve essere massa aggiuntiva nel sistema Coma per tenere insieme tutte le galassie, massa che non proviene dalle stelle stesse ma dallo spazio tra di esse, nascosto alla vista dall'oscurità dello spazio. In una conferenza del 1933, Zwicky ha teorizzato che questa sostanza sconosciuta fosse Dunkle Materie, o materia oscura.

La teoria di Zwicky fu prontamente dimenticata per i successivi 40 anni. Quindi, negli anni '70, L'astronoma americana Vera Rubin ha eseguito calcoli simili a quelli di Zwicky sulla galassia di Andromeda. Rubino, una delle poche donne nel suo campo, ha lavorato al Palomar Observatory della California meridionale (dove ha dovuto attaccare il contorno di una gonna all'icona di un uomo su una porta del bagno per creare un bagno per donne). I suoi risultati hanno confermato ciò che Zwicky aveva trovato, resuscitando la sua teoria della materia oscura.

Studi successivi hanno dato vita a una nuova consapevolezza di quanto poco sappiamo dell'universo. atomi, si scopre, rappresentano meno del 5% di tutta la materia. La materia oscura rappresenta il 27%. Il resto dell'universo è composto da una sostanza altrettanto misteriosa chiamata energia oscura.

Gli scienziati ritengono che la materia oscura sia molto probabilmente costituita da particelle subatomiche chiamate WIMP, particelle massicce che interagiscono debolmente. Le WIMP hanno avuto origine nell'universo primordiale insieme alla maggior parte delle altre forme di materia, che sono costituiti da particelle attirate insieme da forze come l'elettromagnetismo. A differenza di quelle particelle, Le WIMP sono dei solitari. Sono principalmente attratti da altre particelle per gravità, un legame incredibilmente debole rispetto alle altre forze che agiscono sulla materia nell'universo.

Sebbene le WIMP siano tutt'intorno a noi, non sono attratti dagli atomi che compongono i nostri corpi. come fantasmi, miliardi di WIMP passano attraverso di noi ogni secondo senza che noi lo sappiamo.

Quando le WIMP si schiantano contro un atomo, producono un unico, segnale molto debole. Se la ricerca della materia oscura fosse condotta in superficie, questo segnale verrebbe soffocato dalla radiazione cosmica proveniente dal sole, o essere scagliati nella nostra direzione da stelle che collassano o si scontrano.

Questo è il motivo per cui la ricerca sulla materia oscura di SURF viene condotta in una miniera abbandonata sotto terra. La roccia e la sporcizia sopra riducono la radiazione cosmica di un fattore di 1 miliardo. Diversi altri importanti esperimenti scientifici sono in corso al SURF, che è gestito dalla South Dakota Science and Technology Authority, e finanziato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, lo stato del South Dakota e le donazioni private. Nonostante tutto lo sporco, polvere e roccia scheggiata, questa miniera abbandonata è, dal punto di vista di un fisico delle particelle, un ambiente idealmente "pulito" in cui fare ricerca.

Eliminare l'impossibile

Penna, 41, è entrato a far parte di Brandeis nel 2017. È cresciuto a Spaichingen, una piccola città nel sud della Germania ai margini della Foresta Nera. All'età di 7 anni, ha ricevuto un telescopio per Natale, lo ha puntato verso le stelle ed è stato agganciato. Seguì naturalmente la passione per "Star Trek". "Poiché sapevo di non poter diventare un capitano della Flotta Stellare, " lui dice, "Ho dovuto fare quello che fa Spock:ufficiale scientifico."

Nella vicina Università di Friburgo, ha studiato fisica delle particelle sia come studente universitario che come dottorato di ricerca. alunno. La sua ricerca lo ha portato in Illinois per studiare al Fermilab, il principale acceleratore di particelle negli Stati Uniti, dove gli atomi vengono frantumati insieme a una velocità prossima a quella della luce in modo che gli scienziati possano analizzare i detriti. Là, ha conosciuto sua moglie, Marcelle Soares-Santos, chi, come Penning, ora è assistente professore di fisica alla Brandeis.

In qualità di membro di facoltà presso l'Università di Bristol in Inghilterra a metà degli anni 2010, Penning ha lavorato al Large Hadron Collider della Svizzera, un acceleratore di particelle ancora più grande del Fermilab. Ha fatto parte della squadra che nel 2012 ha confermato l'esistenza del bosone di Higgs, la particella che dà massa a tutte le altre particelle. È stata una svolta importante:l'Higgs è stata l'ultima particella subatomica sconosciuta nel cosiddetto Modello Standard della fisica delle particelle, quale, finalizzato negli anni '70, è il modello più completo fino ad oggi di come funziona l'universo.

Ma sebbene il Modello Standard comprenda 17 particelle diverse, compresi i quark, leptoni e neutrini, non include WIMP. Quando 11 anni fa fu costruito il Large Hadron Collider, gli scienziati speravano che avrebbe fornito prove di particelle al di fuori del Modello Standard. non ha, spingendo alcuni scienziati a dubitare dell'esistenza delle WIMP e, Invece, parlare di alternative come le assioni, neutrini sterili e WIMPzilla.

Nel 2013, i ricercatori hanno annunciato i risultati del loro primo tentativo di trovare la materia oscura. Il Large Underground Xenon esperimento sulla materia oscura, come si chiamava, ha corso per tre anni e mezzo. Non è venuto fuori niente.

Da allora, Penning e ricercatori di università e laboratori di tutto il mondo hanno rivisto il loro design e sviluppato un nuovo rivelatore, il LUX-ZEPLIN, quasi 1, 000 volte più sensibile del LUX. Penning dice che ha maggiori possibilità di successo.

Il rivelatore LUX-ZEPLIN è costituito da una serie di setacci annidati, ciascuno progettato per filtrare varie particelle subatomiche in modo che, almeno in teoria, ogni particella che arriva al centro è una WIMP. Per sottolineare la logica, Penning cita Sherlock Holmes:"Quando hai eliminato l'impossibile, ciò che rimane, per quanto improbabile, deve essere la verità".

Ancora in costruzione, il setaccio più esterno è una vasca in acciaio inossidabile da 26 piedi. Poiché l'acqua blocca il passaggio delle radiazioni gamma e dei neutroni, 70, 000 galloni di acqua ultrapura verranno versati all'interno della vasca per impedire a queste particelle di avanzare verso l'interno.

Un secondo setaccio bloccherà i neutroni, che rappresentano un problema particolare poiché inducono un segnale debole che può essere facilmente scambiato per WIMP. Questo setaccio è costituito da 10 vasche acriliche da 12 piedi sospese nell'acqua e riempite con gadolinio liquefatto (i neutroni si attaccano agli atomi di gadolinio) e alchilbenzene lineare, un componente comune dei prodotti per la pulizia.

Il team di Penning ha progettato i sensori che circondano i serbatoi in acrilico. Sembrano K-Cup giganti rivestiti di Tyvek bianco. Quando i neutroni entrano in contatto con gli atomi di gadolinio e vengono "catturati, " vengono emessi fotoni. I sensori rilevano questi fotoni, il che segnala che tutto sta funzionando come previsto e che nessun neutrone sta scivolando attraverso la barriera del gadolinio.

Il santuario più intimo dell'esperimento, la pièce de résistance, è un cilindro di titanio di 13 piedi riempito di xeno liquido. Immerso nell'acqua, il cilindro sarà circondato dalle vasche acriliche.

Se le teorie degli scienziati sulle WIMP sono corrette, quindi lo xeno è l'elemento planetario più in grado di rilevare le particelle di materia oscura. Densamente imballati insieme, gli atomi di xeno possono intrappolare le WIMP, rilasciando due lampi di luce rilevabili dai sensori nel cilindro di titanio per far sapere ai ricercatori che è stata trovata materia oscura.

Come costruire una nave dentro una bottiglia

A marzo 2019, Penning e il suo laboratorio erano al SURF a lavorare all'interno del contenitore di acciaio inossidabile del rivelatore, che era vuoto tranne che per il cilindro in titanio che alla fine conterrà lo xeno. L'equipaggio di Penning, il borsista post-dottorato Ryan Wang, ingegnere meccanico senior Andrei Dushkin, lo studente laureato Luke Korley e l'ingegnere elettrico Richard Studley stanno costruendo l'impalcatura che correrà attorno alla parete interna e conterrà i sensori simili a K-Cup progettati da Penning.

Gli scienziati Brandeis hanno fatto solo una prova utilizzando parti e attrezzature fittizie. Quando il rilevatore verrà acceso entro la fine dell'anno, tutte le altre università che collaborano all'esperimento avranno completato la loro parte del processo di installazione all'interno del container. L'equipaggio Brandeis, l'ultimo ad andare, avrà solo 3,5 piedi tra il muro e l'apparato degli altri scienziati in cui lavorare. Penning lo paragona alla costruzione di una nave in una bottiglia mentre si trova all'interno della bottiglia. Richiede molta pratica.

I severi standard di pulizia che devono essere osservati rendono il compito particolarmente difficile. Le WIMP sono così deboli che anche un granello di polvere può oscurare il loro segnale e far saltare i sensori. Se la squadra di Penning lascia cadere un attrezzo o lascia cadere una vite, il pavimento potrebbe facilmente scheggiarsi.

Quindi il laboratorio Penning lavora con un ritmo preciso. Dushkin va su e giù per una scala, imbullonare le aste metalliche dell'impalcatura. Korley gli porge gli strumenti di cui ha bisogno. Studley si inginocchia sul pavimento, utilizzando una livella laser per garantire l'allineamento dei montanti. Non parlano molto. Sanno esattamente cosa devono fare.

Nel frattempo, Studley sta anche lavorando su un problema che il gruppo dovrà affrontare nei giorni prima che il rilevatore diventi operativo. Dovranno portare con sé una scala all'interno per erigere l'impalcatura. Faranno il giro del cilindro finché non arriveranno di nuovo all'ingresso, un piccolo portale largo 3 piedi. Ma non ci sarà abbastanza spazio per spingere la scala fuori dal portale. L'unica soluzione è una scala su misura pieghevole o smontabile. Studley dice che è fattibile, ma non l'ha ancora capito.

Verso la fine della giornata, tutti iniziano a notare un fetore sgradevole, come cavoli marci o calzini puzzolenti. Penning dice che è come se un gigante avesse rotto il vento.

Infatti, è un'esercitazione di evacuazione. Alcuni dei tunnel in cui lavorano gli scienziati mancano di elettricità o di ricezione del cellulare. L'unico modo per raggiungerli è rilasciare gas puzzolenti, che è gas naturale con livelli non tossici dell'etil mercaptano chimico. Ci sono altri modi in cui la struttura avvisa le persone:allarmi, e-mail e messaggi, ma il gas puzzolente aggiunge un ingegnoso livello extra di sicurezza. Anche se non sapevi che avrebbe dovuto innescare un'evacuazione, saresti disperato di uscire.

Il gas puzzolente significa che il lavoro deve finire per la giornata. The Cage fa un solo viaggio di ritorno nel pomeriggio. Quello di oggi dovrà essere presto. Gli scienziati si affollano all'interno e vengono riportati in superficie.

Quando il rilevatore di materia oscura di SURF diventa operativo, le sue centinaia di sensori raccoglieranno milioni di dati ogni secondo, sette giorni alla settimana, 24 ore al giorno, per i prossimi cinque anni. Gli scienziati monitoreranno i risultati sui loro computer nelle loro università.

Se viene scoperto un WIMP, nessun allarme suonerà, nessuna campana suonerà. I ricercatori noteranno semplicemente un gruppo di punti su un grafico a dispersione. I risultati saranno esaminati attentamente, controllato, ricontrollato e rivisto da alcuni degli scettici più tenaci del progetto. Se tutto dovesse andare per il verso giusto, la nostra comprensione dell'universo sarà per sempre trasformata.

Ray Davis, che ha svolto il suo lavoro nel profondo dello stesso tunnel che ora ospita SURF, ha vinto il Premio Nobel per la Fisica. Se Penning e i suoi colleghi riusciranno nel loro intento, potrebbero battere lo stesso oro.

Le operazioni SURF sono sospese a causa della pandemia di COVID-19. Gli scienziati si aspettano che l'esperimento ricominci entro la fine dell'estate.