位於南達科他州近一英裡處的實驗室位於全球推動地下科學的最前沿
物理學家告訴我，電梯將井下4,850英尺降低到地下物理實驗室並不稱為電梯。它被稱為The Cage。它正好在早上7點30分下降 - 同時它每天都離開水面 - 並且不會等待散步者。
我按時出現，並準備與一群科學家一起登船。我們看起來完全相同：穿著工作服，帶有反光帶，鋼頭靴，緊急呼吸面罩和夾在腰帶上並環繞肩膀的燈。
操作員打開大黃色的門，將我們引導進入內部然後關閉The Cage。不久，它開始以每分鐘500英尺的速度撞擊。操作員的前照燈提供唯一的光線，沿著軸線的木材進行追蹤。我們下降了10分鐘，默默地想像著我們上面的世界的重量在增加。沿著豎井壁流下的水提供了令人不安的聲音軌道。
這個地方 - 桑德福地下研究設施（SURF）在Lead，SD-進行的實驗只能在地球表面深處進行。這些實驗在黑山下面被數千英尺的堅硬巖石所掩蓋，可以抵禦沐浴行星表面的大部分背景輻射。在這裡，科學家可以更容易地探測到各種難以捉摸的宇宙信使，否則這些信息將會被來自我們太陽和來自遙遠的爆炸恆星或其他假設粒子的表面中微子淹沒，這些中微子被認為構成神秘的暗物質。一隻引導星系生長的隱藏之手。這些顆粒太暗，以至於它們被淹沒在地上：尋找它們有點像尋找從太陽表面照射的聚光燈。但這些是科學家必須研究的粒子，以了解我們的宇宙是如何形成的。因此，從地球的深處，即使是最接近的恆星也不會發光，他們正在瞥見宇宙中一些最古老，最遙遠和災難性的方面。
這個地方並不總是以科學為中心：100多年來，它的迷宮深深的房間和泥濘的地面隧道是一個叫做Homestake的金礦。今天，該設施被剝奪了大部分珍貴礦石，已成為美國首屈一指的地下實驗室研究人員的具象金礦。今年秋天，SURF將在物理學的前沿推出一項新的實驗：CASPAR，它模擬恆星核心的條件，氫原子和其他輕元素融合在一起釋放能量，形成副產品所需的更多實質元素。建造小行星，行星，礦山和哺乳動物。今年，物理學家們也開始為一項名為LUX-ZEPLIN（LZ）的實驗開發設備，該實驗將在2020年嘗試探測暗物質顆粒。
隨著科學家在明尼蘇達州，日本，義大利，中國和芬蘭等地建造或重新利用埋藏的基礎設施，從地下深處深入了解宇宙，尋求學習，這是全球各地（以及內部）展開的趨勢的一部分。為什麼宇宙是它的方式 - 也許人類如何到達這裡。
在凱奇內部，車手們將頭靠在牆上，在工作前閉上眼睛安靜。當電梯停在一個停車位時，他們向上看，門打開一個圓形的巖石走廊，用網蓋住，以防止巖石滑坡和塌方。光線是黃色的，光譜與太陽不同。
「只是天堂裡的另一天，」其中一名乘客說，當運營商將我們釋放到這個外星人的環境中時。我們離開The Cage，它是我們唯一的通往地表的通道，走向奇怪的科學，就像沒有陽光下生存的極端地下生物 - 只能在這裡發生。
礦井中的宇宙信使
在前往我們的第一個目的地LZ暗物質實驗的途中，我們走過了一個名為戴維斯實驗室的礦區。它的名字源於已故的物理學家雷·戴維斯（Ray Davis），他在20世紀60年代參觀了Lead鎮並考慮了科學實驗。當時的導演和隔壁的戴德伍德現在看起來很像他們現在看起來一樣，有一層賭場和一個標有「歷史遺蹟沙龍10號狂野比爾被射殺的標誌」的標尺。戴維斯問過Homestake的主人如果他可以利用那片巨大空間的一小塊來尋找太陽中微子，那就開始了。
中微子幾乎沒有質量，沒有電荷。它們的移動速度幾乎和光一樣快。它們幾乎不受重力影響，並且不受電磁幹擾。事實上，它們幾乎不與任何東西相互作用 - 中微子可能只是直接穿過宇宙中任何物質物體的原子，就像摩託車可以直接通過交通分裂車道一樣。物理學家和天文學家喜歡中微子，因為他們的宇宙羞怯使他們保持原始狀態。每一個都帶有印記，如胎記，來自在宇宙中釋放它們的爆炸和放射性衰變。通過研究它們，科學家們可以了解超新星的內部運作，大爆炸後的第一個瞬間，以及恆星的心靈 - 包括我們的太陽，這是戴維斯想要研究的。在20世紀60年代，應該存在，但還沒有人在物質世界中找到它們。
礦業公司決定讓戴維斯成為第一個這樣做的人。
在Homestake的「4850水平」 - 地面以下4,850英尺的地板上工作 - 戴維斯建造了一個中微子探測器，於1967年投入使用。在接下來的四分之一世紀中，他提取了他的所得：實際的中微子，而不僅僅是理論上的論文。作為第一個直接檢測粒子的人 - 因此證明他們一直存在 - 戴維斯贏得了2002年的諾貝爾獎。他是第一個表明，有時為了最好地連接深空，人類不得不遠離它，深入地球本身。
在戴維斯實驗的最初幾十年中，霍姆斯塔克礦繼續向地表發送穩定的黃金流，最終在其生命周期內生產了近300萬磅的貴金屬 - 這是西半球所有礦山中最多的。但是在2002年當一盎司的價格下跌太低而礦山無法獲利時，巴裡克黃金公司將其關閉，隨後將該設施捐贈給南達科他州。
該州 - 由億萬富翁T.丹尼桑福德和美國能源部提供資金 - 擴展了戴維斯的遺產，並將整個行動轉變為物理實驗室：今天的SURF，原來的戴維斯校園為核心。
設置商店
當我們進入戴維斯校園時，我們將彈性踝靴搭在鞋子上，並貼上貼紙。「它在4850上一直很晴朗，」它說。證據不支持這一結論。
我們的導遊Mark Hanhardt沒有這樣的貼紙，但他確實有一個Ghostbusters在他的工作服的上臂修補。他後來提到了LZ將其視為「幽靈粒子」的暗物質。然後，他就是他的補丁所指的破壞者。他是一個快樂的傢伙，帶著微笑 - 眼睛和嘴巴的種類 - 總是在他的鬍子和短髮之間。作為一名實驗支持科學家，他也是一位名叫Jim Hanhardt的前Homestake礦工的兒子。當Homestake停止採礦時，吉姆被解僱了 - 但是當SURF接手時，他得到了一份不同的地下工作，在2008年成為技術支持領導者。幾年來，在他父親最近去世之前，兩人在這個地下空間一起辛勤勞作 - 關於Lead的常見故事。鎮上的每個人似乎都知道或與在實驗室工作的人分享血液，因為SURF聘請了許多礦工並與當地公司籤訂了爆破和建築工程合同。因此，漢哈特的日常工作正在進行雙重遺產 - 一個家族，一個科學。「這裡已經有一位諾貝爾獎了，」漢哈特說道，示意我們跟著他走下走廊。「也許會有更多。」
Hanhardt沿著平臺走向SURF員工正在為LUX-ZEPLIN做準備的高天花板房間。大部分空間都屬於一個巨大而空曠的水箱 - 是我的三倍半，並且直徑四分之一的我可以躺下。Hanhardt稱它為「巨大的科學桶」。一旦它裝滿了72,000加侖的水並屏蔽了一個名為LUX的實驗，該實驗於2014年10月至2016年5月運行。當時LUX是世界上最敏感的暗物質探測器 - 與地球上任何其他實驗相比，它更適應宇宙中最神秘的粒子。
用望遠鏡進行數十年的觀測已經暗示宇宙中充滿了無形的物質，既不發射也不反射光，但卻超過了所有可見的恆星，氣體和星系的總和。這種暗物質顯然已經將這些星系中的一些變成了螺旋狀，甚至可能是它們首先將它們的物質聚集成星系的原因。沒有人確切知道暗物質是由什麼組成的，但是大多數物理學家認為它可能至少由一種未被發現的亞原子粒子組成。但正如人們無法肯定Sasquatch看起來是什麼樣的，直到你在遠程攝像機上窺探一個人或將其陷入陷阱中時，科學家們無法說出什麼是黑暗物質，直到他們捕捉到一些。
LUX試圖做到這一點。在將近一年的運行期間，一個350公斤的液體氙罐就像巨型水箱內的俄羅斯套娃一樣嵌套，將氙氣與無懈可擊的宇宙射線的強悍背景隔離開來，甚至可以穿透它遠在地下。氙氣比固體鋁更密集，等待著假想的暗物質粒子穿過數千英尺的地球，最終在南達科他州進行星際 - 甚至是星際旅行之後。如果暗物質粒子撞擊氙原子，碰撞就會產生閃光。然後電子旋轉出碰撞，再次閃光。內置油箱內部的探測器會將這些探測器拾起並向科學家發回信號，
2016年10月，SURF科學家開始拆除LUX並將其氙氣像礦工一樣運到水面。設置什麼都沒看到。暗物質一直堅持它的名字。
對於頑固的物理學家來說，這只是意味著他們需要一個更大，更好的桶來收集暗物質：LUX-ZEPLIN。當它在2020年首次亮相時，這個後續實驗仍將是世界上最好的：它的靈敏度是它的前身的70倍，這在很大程度上要歸功於它的10公噸液體氙 - 與LUX相比，它是第一個小的三分之一一公噸。該科學合作涉及來自美國，英國，葡萄牙，俄羅斯和韓國的250名科學家，於2月份開始施工。
Hanhardt將頭伸進空水箱的銀色圓筒內，低聲說「 Helloooo。」這聲微小的聲音幾乎無休止地迴響，在坦克牆壁上彈跳，並將自己扔回我們身上，作為他存在的證據。
深度物理學
SURF佔據了世界上最深的科學空間之一，是明尼蘇達州Soudan地下實驗室的兩倍多，該實驗室位於一座前鐵礦區。專注於像戴維斯這樣的中微子的超神明實驗室佔據了日本的Mozumi鋅礦，地下3,300英尺。然而，世界上最深的物理設施是中國的錦屏實驗室，它利用了水電站壩下的隧道。它有一個暗物質探測器和一個叫做PandaX的中微子實驗。正如這些實驗室所做的那樣，使用現有的基礎設施意味著科學家可以專注於建立他們的實驗而不是爆破巖石。這意味著他們可以依靠當地工人，他們已經知道如何幫助維護可能會溢出，坍塌或充滿有毒氣體的蛇形洞穴。義大利是第一個完成地下實驗室Gran Sasso的國家，目的是進行研究。花了他們30年。
這些遙遠的設施中的每一個都在競相成為第一個對難以捉摸的暗物質和幽靈般的中微子進行突破性發現的人。但是，對於最終結果科學出現的最佳狀態，這些設施需要彼此 - 而且彼此的數據 - 要比他們自己管理得更好，更快，更強。它們共同構成了一個生態系統，支持表面上無法完成的科學。
品脫之星出生
自從它的起源以來，SURF已經從戴維斯校園擴展到礦山的其他部分 - 其中有很多。新的「校園」是如此遙遠，為了參觀它，我們乘坐一輛鐵路車，沿著黑暗的空間，如舊的鎬 - 守衛者，在黑暗的軌道上咆哮。涼爽的空氣仍然吹過我們，不知何故流入這個近乎一英裡以上的地面世界。走廊燈每隔一段時間傳遞一次，發光然後以緩慢的，完整的遊行隊伍退去，直到我們到達所謂的羅斯校園和CASPAR實驗。CASPAR是一個粒子加速器 - 但適合普通大小的房間。一系列管子，通過真空泵從它們吸入的空氣，穿過整個房間一直穿過的桌子，然後彎曲回到更遠的空地。從一端開始，一束粒子流過管子，它的路徑被磁鐵彎曲。在另一端坐著一個目標。當光束靶向它時，碰撞觸發了恆星內部發生的融合過程，當小原子連接構建較大的原子時。這些過程發生在整個宇宙中的恆星核心深處，並且基本上創造了比氦更重的所有元素（元素天文學家稱之為「金屬」，即使它們沒有在礦井中下降）。
所有這些「金屬」包括你，我，這些管，這個空腔，SURF，地下實驗室的生態系統，地球以及你可能（或可能不）關心的一切。但科學家實際上並不了解恆星如何融合元素的細節。而且因為它們無法飛入恆星的中心，所以它們卻朝著地球的中心前進。在這裡，屏蔽了雜散輻射和轟擊地球表面的粒子，他們可以更清楚地看到自己實驗中的粒子和輻射，而不是太陽或太空。
當我們到達時，一批研究生和三名教授擠在幾臺計算機上，試圖儘可能正確地使用這種光束。迷你加速器本身位於它們旁邊的門的另一側。它看起來像一個孩子的化學組合，減去多彩的液體。
來自聖母大學的物理學家Michael Wiescher離開他的同事，告訴我他們在做什麼。他安靜地說話，也許是試圖不打擾他們。但他不用擔心：他們的注意力與實驗的光束一樣集中。
那是因為這是一個重要的日子：Wiescher和其他人，來自Notre Dame和南達科他州礦業學院，剛剛開始向他們的目標發射光束。不久，他們將製造自己的小型星星，遠離外太空，遠遠超過大多數人。他們的第一個實驗將檢查一個稱為「氦燃燒」的過程的細節。在燃燒的第一階段，當三個氦原子核化為一個碳時，一個重要的相互作用發生 - 根據定義，這個原子使分子「有機」。在實際的恆星中只有隨著年齡的增長才會發生：在像太陽這樣的恆星燃燒了大部分氫燃料的核心，並演變成紅色巨星之後，它們開始融合氦氣。但是在SURF中，在浴室大小的設置中，CASPAR可以在科學家認為合適的任何一天學習燃燒氦氣，因此，學習如何一次又一次地創造成為我們的元素 - 快速轉發太陽的時鐘，同時倒帶我們自己的。「這不僅僅是物理學，」Hanhardt說道，他隨著團隊的工作而著眼，「這是哲學。」換句話說，它處理的是大問題：從字面上看，我們是如何到達這裡的？為什麼，宇宙？這些問題具有科學答案，但具有存在意義，科學已進入以前僅由宗教佔領的領土。
Wiescher告訴我，歐洲研究人員在Gran Sasso的類似項目LUNA-MV上的工作落後了兩年。中國正在建設自己的JUNA。但CASPAR（現在任何一天）都會先開始做飯。在CASPAR團隊自己獲得一些結果後，他們計劃將數據與其他一些團隊合併，並讓科學家們來到這個洞穴，用CASPAR設備進行自己的實驗。有一天很快 - 當CASPAR為合作者開放時，當LZ開始搜索時，SURF將在金礦鼎盛時期的方式中保持強勁和繁榮，當一個中微子實驗蹲在一個角落時。
一位以計算機為重點的科學家說：「我們有100％的光束傳輸！」然後一位來自南達科他州礦業學院的微笑的研究生 - 託馬斯·卡德萊切克轉向我和威舍。他說，他喜歡這裡。他的祖父是Homestake時回來的礦工。有了這個，他很快就轉身離開了他的工作，靠在一個電子架子上。
我後來發現他的祖父在Homestake死了。正如一代明星為下一代南達科他州的以前的地下世代提供燃料，激勵下一代。「他們認同我的，」威舍爾解釋道。「這太不可思議了。