從1876年到2002年，南達科他州利德鎮的居民從霍姆斯特克金礦開採了價值35億美元的黃金。該礦是當地的主要產業，但隨著金價下跌和收益遞減，金礦最終關閉，人們不知該如何處理地下剩下的8000英尺（約2400公尺）深的礦洞。 2007年，美國國家科學基金會決定，這個8,000英尺深的礦洞是建造其擬建的「深地科學與工程實驗室」（DUSEL）的理想場所。 DUSEL是一個龐大的研究綜合體，將包括世界上最深的地下實驗室。
如今，一支由物理學家和前礦工組成的團隊將霍姆斯特克礦的貨運倉庫改造成了桑福德地下實驗室的地面新實驗室。他們將牆壁和踢腳板漆成白色，並在地板上畫上黃色標線，引導參觀者避開巨大的氮氣罐、儲物櫃大小的電腦和塑膠包裹的機器零件。不久之後，他們將把這些組件集中到實驗室的無塵室中，組裝成大型地下氙暗物質探測器LUX。之後，他們會將LUX下放到礦井中部，如果一切順利，它最終將探測到少量暗物質粒子的存在。暗物質是一種尚未被偵測到的不可見物質，它很可能正是維繫宇宙的根本力量。
LUX計畫只是全球至少十個旨在尋找暗物質直接證據的計畫之一。憑藉諾貝爾獎和聯邦政府的長期投資，LUX計畫的50名研究人員和利德鎮（Lead，發音為「leed」）的2848名居民都毫不掩飾地希望成為第一個發現暗物質的計畫。但目前已經出現了一些問題。
在這個六月的午後，我已連續幾個小時透過潔淨室的窗戶觀察著四位物理學家。他們穿著相同的白色杜邦特衛強防護服，戴著乳膠手套、藍色鞋套、醫用口罩和護目鏡，正準備連接探測器的兩個主要部件。內部低溫恆溫器是空心圓柱體，大小與垃圾桶相仿，大家都簡稱它為「桶子」。此刻，它位於地面下一個覆蓋著格柵的坑中。坑上方框架上懸掛著圓頂，它相當於桶子的蓋子；而從圓頂上垂下的，則是一個被稱為骨架的複雜組件。他們的想法是小心翼翼地將桶套在骨架上，像俄羅斯娃娃一樣層層嵌套，直到與圓頂蓋完美連接，形成嚴密的密封。
整個裝置最終將容納31加侖-154°F的液態氙氣——這種介質將用於探測暗物質——因此精度至關重要。但各個部件是在不同的地點加工的，如果沒有完美的密封，空氣和雜質就可能滲入實驗裝置，從而影響實驗結果。正如凱斯西儲大學物理學家、LUX計畫聯合創始人湯姆·舒特解釋的那樣：“我們一直忐忑不安，生怕這個密封圈的密封性不夠好。”
不過，在抬起罐子之前，團隊必須先完成骨架本身的建造。目前，它僅由六根細長的鈦帶從穹頂內緣垂下構成。下一步是將構成骨架主體的三塊厚銅盤插入其中。一位物理學家手動操作小型堆高機，將一塊銅盤抬到腰部高度，其他人則調整臨時支撐架，以便在最後調整時將其固定到鈦帶上。這個過程對每塊銅盤都重複進行：抬起、擰緊、調整、商議、再調整。
物理學家沿著骨架向下作業，最後跪在地上，將螺栓擰入最後一塊銅板，這塊銅板距離地面只有大約六英寸。他們依序坐下或站起來，觀察自己的成果。負責協調罐體製造的舒特接下來要上場了。他找了個藉口，前往無塵室的前廳穿戴防護衣。 （普通的灰塵，那種人們可能從任何地方帶進來的灰塵，可能含有高濃度的放射性物質，如果探測器真的發現了暗物質，這些放射性物質會幹擾訊號。）
很快，又有一名研究生加入進來，潔淨室變得擁擠起來。六位物理學家將承載著骨架的框架推到一旁，打開了坑洞的格柵。其中一人爬進坑里，將兩條纜繩連接到罐體上，然後迅速躲開。纜繩穿過框架上的兩個滑輪，團隊成員將框架滑回原位。他們在纜繩的另一端連接上重物，形成一個簡易的升降機，然後開始緩慢地將罐體向上提升，繞過骨架。舒特站在一旁，雙手掌心朝外，手指興奮地動著，像個等待拆禮物的孩子。
LUX計畫的其他科學家正聚集在一起，等待著激動人心的時刻——他們將要看看這個罐子是否真的能組成一個功能齊全的探測器——我被擠到研究生們聚集的側窗邊。隨著罐子接近頂部，低語聲漸漸平息。骨架完美地滑入到位。但是，就在距離圓頂不到一英寸的地方，罐子本應最終鎖定到位，但卡住了。舒特和他的團隊試著把它輕輕地移開，又試著用力推，但它紋絲不動。物理學家懷疑是罐子的尺寸或骨架的形狀出了問題。儘管遭遇如此明顯的挫折，他們還是興致勃勃地擺好姿勢拍了幾張照片。然後，他們小心翼翼地把罐子放回坑裡。他們明天會再試一次。
沒人知道暗物質是什麼，甚至連它是否真的存在。目前，它只是一個佔位符，一個必須代入各種計算公式的“x”，以便將天文觀測結果與牛頓物理定律相吻合。暗物質這個名稱來自瑞士天文學家弗里茨·茲維基，他在1933年運用兩種成熟的方法計算了後發座星系團的質量，該星系團包含超過1000個星系。其中一個方法是根據星系團中八個星系的運動，利用牛頓第二運動定律來推算。牛頓第二運動定律的核心內容是：星系越大，自轉速度越快。另一種方法是透過量化星系團中恆星發出的光量來估算星系團的總質量。
理論上，兩種方法的結果應該相等，但實際上，基於運動的數值卻高出一個數量級。後發座星系的自轉速度遠超過根據其總發光量所預測的速度。為了使牛頓方程式成立，必須存在更多的質量。茲威基將這種缺失的物質稱為「暗物質」。
茲威基的研究成果在1970年之前基本上被忽視，直到另一位天文學家維拉·魯賓在仙女座星系中記錄了類似的差異。此後，研究人員發現，數百個其他星系的可見質量也太小，無法解釋它們的運動速度，至少在我們目前的物理認知框架內是如此。天文學家還發現了不可見的“引力透鏡”，它們會使光線在其周圍彎曲——儘管這些透鏡本身沒有任何可識別的質量，因此根本無法扭曲時空結構並彎曲光線。所有這些都表明，宇宙中超過80%的物質對我們來說是看不見的。
如今，大多數（但並非所有）物理學家都認同暗物質的存在，並認為它很可能由他們稱之為WIMP（弱相互作用大質量粒子）的粒子構成。 「大質量」並非指這些粒子體積龐大，而是指它們具有質量，因此既能響應引力，也能產生引力。 「弱相互作用」則意味著這些粒子雖然具有質量，但與物質的相互作用卻極為罕見。科學家也假定WIMP是電磁中立的，這也是我們無法直接觀測到它們的原因。事實上，迄今為止，所有關於暗物質存在的論點都基於推論。沒有人直接觀測到過這種物質。
包括魯賓在內的許多科學家對弱交互作用重粒子（WIMP）理論持懷疑態度，在某些情況下，甚至對暗物質的概念本身也持懷疑態度；他們認為牛頓物理學可能無法描述星系尺度上的運動機制。當我問凱斯西儲大學舒特的同事、LUX計畫首席研究員丹·阿克里布，為什麼WIMP是目前最熱門的候選人時，他採用了標準的科學立場——WIMP只是目前最好的理論：“簡單來說，WIMP是最不離譜的候選人。”
這就是LUX和其他競爭項目發揮作用的地方，它們都基於弱相互作用重粒子（WIMP）的存在。天文學家在宇宙中發現暗物質的證據時，發現其分佈並不均勻。從重力角度來看，它的行為與普通物質類似：會聚集在一起。暗物質理論家目前推測，它集中在一個包含大多數星系的球形雲中。隨著我們太陽系在銀河系中旋轉，它和銀河係都在這些雲中運動，雲中的粒子——即弱相互作用重粒子——以物理學家估計的每秒每平方厘米約10萬個的速率穿過地球及其上的所有物體。
LUX探測器的物理學家以及其他十幾個競爭項目的物理學家團隊都希望能夠當場捕捉弱相互作用重粒子（WIMP）。這些探測器（有些使用鍺作為探測器材料，有些則像LUX一樣使用液態氙）被埋在地下，例如廢棄的礦井、下水道或山脈之下，以屏蔽其他可能偽裝成WIMP的宇宙粒子。
大多數弱相互作用重粒子（WIMP）會躲避探測介質，但舒特和阿克里布推測，每年大約有三到四個WIMP會撞擊LUX探測器中1.6億億億（即10億億億）個氙原子核中的一個，而當其中一個撞擊到氙原子核時，會引發兩次微弱的閃光——這是暗物質存在的第一個直接證據。
經過整整一天的搬運、擰緊和調整，罐子仍然裝不上，於是舒特讓我開車送他和他的一個學生去附近的戴德伍德鎮的五金店。戴德伍德鎮是當年著名的西部執法官比爾希科克打出他最後一張致命牌的地方。現在的計畫是銼掉罐子底部附近一條幾乎看不見的內焊縫，科學家認為這條焊接卡住了罐子的骨架。為此，舒特需要一把德雷梅爾旋轉工具和幾顆鑽石鑽頭。他似乎並不在意，他那價值300萬美元、旨在揭示宇宙本質的探測器，僅僅因為缺少一個價值80美元的電動工具就被擱置了。
通常來說，打磨接縫是一件很簡單的事。但這個罐子是由鈦製成的，鈦的硬度極高。實驗室成立僅六個月，還沒有自己的機械加工車間或很多工具。如果舒特把罐子交給一家不熟悉的車間，他就有可能讓LUX暴露在金屬屑產生的低劑量放射性物質中，這些物質就像灰塵一樣，可能會在未來掩蓋弱相互作用重粒子（WIMP）的訊號。每一個螺母和螺栓都必須盡可能做到無輻射，因此它接觸到的每種材料或經過的每個位置都必須經過仔細檢查。團隊將在第二天一早前往無塵室打磨接縫。
這家五金店燈火通明的走道裡擺滿了油漆和汽車零件，為了迎合當地人對摩托車旅行的喜愛，還出售一種名為“抗猴屁股”（Anti Monkey Butt）的爐甘石和玉米澱粉混合的鞍瘡膏。舒特問一位穿著工作服的女士電磨在哪裡，我們徑直走向中央過道，在那裡，我們在掛板下方的一個架子上找到了十幾把電磨，架子下方掛著數百個裝有鑽頭的小塑膠盒。舒特一把把地取下來，仔細查看標籤，尋找不含放射性物質的鑽石，並請他的學生也這麼做。他說，在過去幾年裡，他已經在eBay上花了超過6萬美元購買零件，包括精密清洗過的鑽頭、渦輪泵和價值1萬美元的軌道焊接配件。阿克里布估計，他們團隊還在麥克馬斯特-卡爾（McMaster-Carr）下了數百個訂單。
在我們繼續尋找的時候，一位戴著眼鏡、留著稀疏紅鬍子的年輕店員走了過來，表示願意提供協助。我一直期待著能親眼目睹物理學家與當地居民的互動。科學家告訴我的故事都有一個共同點：當地居民熱愛在他們城鎮周圍（以及地下）進行的這項大型物理研究計畫。他們會在酒吧、雜貨店、加油站甚至基督教青年會的桑拿房裡找到物理學家，表達他們的支持。舒特和布朗大學的計畫聯合創始人里克·蓋茨克爾曾舉辦過一場關於暗物質的講座，吸引了超過100人參加，講座結束後，聽眾們還跟隨他們去了當地一家酒吧繼續交流。鎮上的遊客中心出售印有實驗室標誌和「尋找弱相互作用重粒子的極客」字樣的T卹。
「這些Dremel套裝裡有很多不同的配件，」店員一邊說著，一邊從貨架上取下一個盒子。 「我們不需要配件，」舒特一邊翻找著裝各種鑽頭的塑膠盒一邊說，「我們需要你們這裡功率最大的馬達。」他們又來回商量了一會兒。要不買那種帶各種鑽頭的？不行，我們需要鑽石鑽頭。這些鑽石鑽頭怎麼樣？不行，不夠大。這個呢？也不行。最後，店員轉向我，問我們從哪裡來。我告訴他舒特在桑福德實驗室工作，我們來買探測器的工具。店員點點頭，看了看越堆越高的鑽頭，然後問道：“怎麼樣？”
儘管Lux團隊的競爭對手在某些專案上領先於他們，但他們也都在努力解決各自的問題。其中一個項目是低溫暗物質探測II（Cryogenic Dark Matter Search II），位於明尼蘇達州的廢棄鐵礦。 2009年12月，那裡的物理學家一度成為新聞焦點，因為他們認為偵測到了兩個弱相互作用重粒子（WIMP）訊號。後來證實這兩個訊號都是誤報，但他們計劃使用名為SuperCDMS的更大探測器再次嘗試。另一個領先的項目Xenon100位於義大利中部格蘭薩索山下，目前已經投入運作。顧名思義，Xenon100採用的技術與LUX類似。但Xenon100的偵測器儲槽比LUX的小得多，靈敏度也更低。到目前為止，它還沒有探測到任何目標。
研究人員也在使用間接方法來尋找弱相互作用重粒子（WIMP）。在某些情況下，他們並非直接尋找暗物質，而是利用地球和太空望遠鏡來尋找當兩個WIMP接觸並相互湮滅時預期產生的奇異粒子（粒子理論支持這一現象）。同時，位於瑞士的大型強子對撞機（LHC）的物理學家正嘗試透過質子碰撞從零開始製造WIMP。合成WIMP可以幫助物理學家重新校準探測器，從而在正確的能量範圍內尋找天然粒子，但迄今為止，科學家尚未成功製造出WIMP。
所有這些努力都耗資巨大，因此，暗物質探測在相關城鎮引發了一場經濟繁榮。例如，在利德鎮，桑福德實驗室帶動了當地房地產市場的罕見增長，為當地商店和餐館帶來了額外的生意，並為數百名當地居民提供了就業機會，涵蓋了從礦井維護工人到地質學家再到人力資源經理等各個領域。而該實驗室只是規模更大的DUSEL計畫的第一階段，該計畫預計將從聯邦政府獲得超過8.75億美元的資金，目前已從州政府籌集到4730萬美元，並從私人捐助者那裡獲得了7000萬美元。這些資金將用於把霍姆斯特克370英里的隧道和186英畝的地面土地改造成DUSEL綜合體：其中包括LUX實驗室的後續項目，這些後續項目將配備更大的氙氣罐，從而提高捕獲弱相互作用重粒子（WIMP）的幾率。
就像之前的霍姆斯特克礦業公司一樣，DUSEL計畫也計劃將利德鎮打造成一座「公司小鎮」。霍姆斯特克公司不僅僅是一家雇主，它幾乎影響了當地社區生活的方方面面。 「利德鎮需要什麼，霍姆斯特克公司就建什麼，」市長湯姆·尼爾森說道，他的祖父、父親和兄弟都曾在這家礦業公司工作過。 「他們建造了供水系統，引進了電力，建造了鐵路、醫院、娛樂中心、公司商店和銀行。所有的一切都是公司一手打造的。」桑福德實驗室和即將啟動的DUSEL項目或許不會運營利德鎮的當地診所或銀行，但它們將帶來資金和就業機會。慈善家兼實驗室命名者T·丹尼·桑福德從他7000萬美元的捐款中撥出2000萬美元用於建設一個科學教育中心，DUSEL的研究人員將在那裡進行講座，學生們也將獲得實踐性的地下物理經驗。該專案的年度營運預算為2300萬美元，其中超過一半用於當地，與當地供應商或承包商合作。大約 70 名前礦業員工現在在南達科他州科學技術管理局工作，該機構的成立是為了將土地從礦場改造成實驗室。
除了Lead之外，還有一個更大的群體——整個粒子物理學和天文物理學界——都在期盼著這個計畫的成功。如果沒有弱相互作用重粒子（WIMP），物理學的標準模型——支配所有已知亞原子粒子相互作用的理論——就會被削弱，科學家將不得不重新思考他們對亞原子物理學的假設。如果沒有暗物質存在的確切證據，我們對宇宙組成的基本理解將會瓦解。 「如果最終證明暗物質並非由WIMP構成，那麼從哲學角度來看，這將比從個人角度來看更加令人失望，因為人類將永遠無法了解暗物質究竟是什麼，」舒特說。 “我們已經做好了可能無法獨自找到它的準備。但如果我們整個群體都找不到它，那將是多麼令人失望啊。”
又過了一整天，罐子還是裝不進去。不過這次，我站在窗戶的另一邊，穿著借來的無塵室制服。我和舒特正往下看，罐子側翻在地，一端伸出兩條裹著杜邦特衛強（Tyvek）的腿，就像有人戴著巨大的金屬派對帽摔倒在地一樣。新買的電磨發出刺耳的摩擦聲，然後磨擦聲停了下來。我的耳朵嗡嗡作響。那兩條腿向外伸了出來，露出了連接著詹姆斯·懷特的腿，他是德州農工大學的另一位LUX研究員，他抬頭看著我：“你想來幫忙嗎？”
我沒想到我會被安排工作。我爬下梯子來到坑邊，懷特遞給我一把電磨。他先在罐頂附近的一條接縫上做示範；我需要處理的那部分在更深處，靠近底部，那裡空間狹小，只能容納一個人。空間非常狹窄。我蜷縮著身子，用手肘和膝蓋支撐著身體，這個姿勢我撐不了多久。一位研究生用強光手電筒照著罐底的凸緣，不時給我拍張照片。我戴著手套，用手指沿著那條棘手的接縫描摹。難以置信，這麼小的東西竟然會造成這麼多問題。我緊緊地把電磨頭抵在上面。開始打磨時，火花四濺，聲音震耳欲聾。
我真想告訴你們，我的電磨機力挽狂瀾，我們很快就成功地把罐子抬起來了。但事實並非如此。經過幾個小時的打磨，一台價值 80 美元的電磨機馬達也燒壞了，罐子仍然裝不起來。後來，LUX 團隊又花了兩個星期才完成罐子安裝工作。九月我和物理學家們交流時才知道，成功的關鍵在於銼掉骨架上的一些銅片，因為銅比鈦更容易打磨。在我造訪之後，團隊至少遇到了五次類似的小挑戰，但這些挑戰足以危及任務完成，其中包括螺栓卡死的情況（由於深度清潔，法蘭和與之連接的桿件的螺紋過於乾淨，以至於在分子層面上粘連在一起），這需要緊急尋找潤滑劑和鋼鋸。
現在，LUX探測器已完成95%。團隊正準備進行多次測試中的第一次，屆時他們將把充滿氙氣的探測器放入實驗室下方兩層樓的一個66000加侖的儲罐中，測試其運作。接下來，他們將在今年稍後開始將LUX探測器埋入地下4850英尺深處。之後，漫長的等待便開始了。物理學家和利德鎮的居民共同期盼著，這個多年來帶來無數寶藏的巨大洞穴能夠繼續為他們帶來經濟穩定——或許還能揭開宇宙的奧秘。
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