物理學家告訴我，將他們降低到礦井豎井下 4,850 英尺的地下物理實驗室的電梯不叫電梯。它被稱為“籠子”。它每天早上 7:30 準時下降——每天都在同一時間離開地面——而且不會等待遲到者。
我準時到達，並準備與一群科學家一起登機。我們看起來一模一樣：穿著飾有反光帶的工作服、鋼頭靴、緊急呼吸面罩和夾在腰帶上並環繞肩膀的燈。
操作員開啟黃色大門，引導我們進去，然後關上籠子。很快它開始以每分鐘 500 英尺的速度顛簸下降。操作員的頭燈提供了唯一的光線，沿著井筒的木材輪廓移動。我們下降了 10 分鐘，默默地想象著頭頂世界的重量不斷增加。順著井筒壁滴落的水滴發出了令人不安的聲響。
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這個地方——南達科他州利德市的桑福德地下研究設施 (SURF)——進行著只能在地球表面深處進行的實驗。這些實驗被埋藏在黑山數千英尺厚的堅固岩石之下，免受大部分沐浴地球表面的背景輻射的影響。在這裡，科學家們可以更輕鬆地探測到各種難以捉摸的宇宙信使，否則這些信使將被地表的聲音和喧囂所淹沒——來自我們太陽和遙遠的爆炸恆星的中微子，或者被認為構成神秘暗物質的其他假設粒子，暗物質就像一隻看不見的手，引導著星系的成長。這些粒子非常微弱，以至於它們在地表被淹沒：在那裡尋找它們有點像尋找從太陽表面射出的聚光燈。但這些正是科學家們必須研究的粒子，以瞭解我們的宇宙是如何形成的。因此，從地球深處，即使是最近的恆星也無法照耀的地方，他們正在瞥見宇宙最古老、最遙遠和最災難性的方面。
這個地方並非一直以科學為中心：100 多年來，其迷宮般的深層腔室和滴水、泥土地面的隧道是一個名為霍姆斯特克的金礦。今天，在剝離了大部分貴金屬礦石後，該設施已成為研究人員名副其實的金礦，成為美國首屈一指的地下實驗室。今年秋天，SURF 將推出一項新的物理學前沿實驗：CASPAR，它模擬了氫原子和其他輕元素聚變釋放能量的恆星核心條件，副產品是形成小行星、行星、礦山和哺乳動物所需的更重要的元素。今年，物理學家們也開始為一項名為 LUX–ZEPLIN (LZ) 的實驗建造裝置，該實驗將嘗試最早在 2020 年探測到暗物質粒子。
這都是全球（以及內部）正在展開的趨勢的一部分，因為科學家們在明尼蘇達州、日本、義大利、中國和芬蘭等地建造或改造地下基礎設施，以便從地下深處窺探宇宙，尋求瞭解宇宙為何如此——也許還有人類是如何來到這裡的。
在籠子裡，乘客們將頭靠在牆上，閉上眼睛，在工作前享受片刻寧靜。當電梯猛地停下來，門開啟，通向一個圓形的岩石走廊時，他們抬起頭，走廊上覆蓋著網，以防止岩石滑落和塌方。光線是黃色的，光譜與太陽光有些相似。
“這不過是天堂裡的又一天，”一位乘客在操作員將我們釋放到這個陌生的環境中時說道。我們遠離籠子，我們通往地面的唯一通道，走向奇怪的科學——就像在沒有陽光的情況下生存的極端地下生物一樣——只能在這裡發生。
礦井中的宇宙信使
在我們前往第一個目的地 LZ 暗物質實驗的途中，我們穿過礦井的一個區域，稱為戴維斯實驗室。它的名字來源於已故物理學家雷·戴維斯，他於 1960 年代帶著一個科學實驗的想法訪問了利德鎮。那時，利德和隔壁的死木鎮看起來和現在很像，有一層賭場和一個酒吧，上面掛著一個牌子，上面寫著“第 10 號歷史遺址酒吧，野比爾被槍殺的地方”。戴維斯曾詢問霍姆斯特克礦的所有者，他是否可以使用一小塊廣闊的空間來搜尋太陽中微子。
中微子是幾乎沒有質量且不帶電荷的粒子。它們移動速度幾乎與光速一樣快。它們幾乎不受重力影響，並且對電磁場免疫。事實上，它們幾乎不與任何東西相互作用——中微子可能像摩托車穿梭於交通擁堵的車道一樣，直接穿過宇宙中任何有形物體的原子。物理學家和天文學家喜歡中微子，因為它們的宇宙羞澀使它們保持原始狀態。每一個都帶有印記，就像胎記一樣，來自宇宙中釋放它們的爆炸和放射性衰變。透過研究它們，科學家們可以瞭解超新星的內部運作、大爆炸後的最初時刻以及恆星沸騰的核心——包括我們的太陽，這正是戴維斯想要研究的。在 1960 年代，理論家們已經預測中微子應該存在，但還沒有人在物理世界中發現它們。
礦業公司決定讓戴維斯嘗試成為第一個做到這一點的人。
戴維斯在霍姆斯特克“4850 水平面”（地面以下 4,850 英尺的“樓層”）辛勤工作，建造了一箇中微子探測器，該探測器於 1967 年投入使用。在接下來的四分之一世紀裡，他提取了他想要的東西：真正的中微子，而不僅僅是紙上談兵的理論中微子。作為第一個直接探測到這些粒子——並由此證明它們確實存在——的人，戴維斯獲得了 2002 年諾貝爾獎。他是最早表明，有時，為了最好地與深空連線，人類必須離它更遠，深入地球內部的人之一。
在戴維斯實驗的最初幾十年裡，霍姆斯特克礦繼續向地面輸送穩定的黃金流，在其生命週期內最終生產了近 300 萬磅的貴金屬——是西半球任何礦山中最多的。但在 2002 年，當每盎司的價格跌至礦山無法盈利的程度時，巴里克黃金公司關閉了它，後來將該設施捐贈給了南達科他州。
該州——在億萬富翁 T. 丹尼·桑福德和美國能源部的資助下——擴充套件了戴維斯的遺產，並將整個運營轉變為物理實驗室：今天的 SURF，其核心是最初的戴維斯園區。
安營紮寨
當我們進入戴維斯園區時，我們把彈性腳踝套套在鞋子上，並獲贈一張貼紙。“4850 英尺處總是陽光明媚，”上面寫著。證據不支援這個結論。
我們的導遊馬克·漢哈特沒有這樣的貼紙，但他的工作服上臂上確實有一個捉鬼敢死隊的徽章。他後來將 LZ 將要尋找的暗物質稱為“幽靈粒子”。那麼，他就是他的徽章所指的剋星。他是個快樂的傢伙，臉上總是掛著笑容——那種眼睛和嘴巴都笑的笑容——笑容總是出現在他的鬍鬚和短髮之間。作為一名實驗支援科學家，他也是一位名叫吉姆·漢哈特的霍姆斯特克前礦工的兒子。當霍姆斯特克停止採礦時，吉姆被解僱了——但在 SURF 接管後，他又找到了一份地下工作，於 2008 年成為技術支援主管。在父親最近去世之前的幾年裡，父子倆曾在這個地下空間一起辛勤工作——這在利德周圍是一個常見的故事。鎮上的每個人似乎都認識或與在實驗室工作的人有血緣關係，因為 SURF 重新僱傭了許多礦工，並與當地公司簽訂了爆破和建築工程合同。因此，漢哈特的日常工作是繼承雙重遺產——一個是家庭的，一個是科學的。“這裡已經出過一位諾貝爾獎得主，”漢哈特一邊說，一邊示意我們跟著他沿著走廊走。“也許還會有更多。”
漢哈特沿著平臺走向高挑的房間，SURF 員工目前正在為 LUX-ZEPLIN 做準備。大部分空間屬於一個巨大的空水箱——高度是我的三倍半，直徑是我的四倍半。漢哈特稱之為“巨型科學桶”。它曾經裝滿 72,000 加侖的水，並遮蔽了一個名為 LUX 的實驗，該實驗從 2014 年 10 月執行到 2016 年 5 月。當時，LUX 是世界上最靈敏的暗物質搜尋器——比地球上任何其他實驗都更能探測到宇宙中最神秘的粒子。
數十年的望遠鏡觀測表明，宇宙充滿了看不見的物質，這些物質既不發射也不反射光，但其重量卻超過了所有可見的恆星、氣體和星系的總和。這種暗物質顯然將其中一些星系塑造成螺旋形，甚至可能是最初使它們的物質聚集在一起形成星系的原因。沒有人確切知道暗物質是由什麼構成的，但大多數物理學家都認為它可能由至少一種未被發現的亞原子粒子組成。但正如在遠端攝像機上拍到或在陷阱中抓住大腳野人之前，人們無法肯定地說出大腳野人的樣子一樣，科學家們在捕獲到一些暗物質之前，也無法說出暗物質是什麼。
LUX 試圖做到這一點。在其近一年的執行期間，一個 350 公斤的液氙罐像俄羅斯套娃一樣巢狀在巨大的水箱內，水箱將氙氣與普通宇宙射線的無畏背景隔離開來，這些宇宙射線設法穿透到如此深的地下。氙氣比固體鋁更緻密，它充滿希望地等待著假設的暗物質粒子穿過數千英尺厚的地球，最終到達南達科他州，結束它們的星際——甚至星系際——旅程。如果一個暗物質粒子撞擊一個氙原子，碰撞會產生一道閃光。然後，電子將從碰撞中旋轉出來，產生第二次閃光。排列在水箱內部的探測器將接收到這些閃光，並將訊號傳送回科學家，科學家可以回溯反應，以研究最初引發煙花的粒子。
2016 年 10 月，SURF 科學家開始拆卸 LUX，並將氙氣像礦工一樣運送到地面。該裝置一無所獲。暗物質仍然名副其實。
對於頑強的物理學家來說，這僅僅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，這項後續實驗仍將是世界上最好的：靈敏度是其前身的 70 倍，這在很大程度上歸功於其 10 噸液氙——而 LUX First 的液氙只有可憐的三分之一噸。這項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 月啟動建設。
漢哈特將頭伸進空水箱的銀色圓柱體中，低聲說“喂——”。微小的聲音似乎無休止地迴盪，在水箱壁上反彈，並將自己拋回我們身上，作為他存在的證據。
深層物理學
SURF 佔據著世界上最深的科學空間之一，比明尼蘇達州蘇丹地下實驗室深兩倍以上，後者位於一個廢棄的鐵礦中。超級神岡實驗室專注於像戴維斯那樣研究中微子，它位於日本的茂住鋅礦中，地下 3,300 英尺。不過，世界上最深的物理設施是中國錦屏實驗室，它利用水電站大壩下方的隧道。它有一個暗物質探測器和一個名為 PandaX 的中微子實驗。像這些實驗室一樣，利用現有的基礎設施意味著科學家們可以將精力集中在建造實驗裝置上，而不是爆破岩石。這也意味著他們可以依靠當地工人，這些工人已經知道如何幫助維護可能發生洪水、坍塌或充滿有毒氣體的蜿蜒洞穴。義大利是第一個為進行研究而專門完成地下實驗室格朗薩索的國家。他們花了 30 年時間。
這些遙遠的設施都在競相成為第一個在難以捉摸的暗物質和幽靈般的中微子方面取得突破性發現的設施。但為了使最終的科學成果以最佳狀態出現，這些設施需要彼此——以及彼此的資料——才能比它們獨自管理時更好、更快、更強大。它們共同形成了一個生態系統，支援在地面上無法進行的科學研究。
一顆小星星誕生了
自誕生以來，SURF 一直在戴維斯園區之外擴充套件到礦井的其他部分——礦井有很多部分。新的“園區”非常遙遠，以至於為了參觀它，我們乘坐鐵路車，在黑暗的軌道上隆隆行駛，穿過像老式鎬工一樣的巨大空間。涼爽的空氣仍然從我們身邊吹過，不知何故，從幾乎一英里高的地面世界流入這個陰間領域。走廊燈以間隔閃爍，發光，然後緩慢地後退，呈頻閃狀，直到我們到達被稱為羅斯園區的 CASPAR 實驗。CASPAR 是一臺粒子加速器——但它的大小可以放在普通房間裡。一系列管子，空氣被真空泵抽走，像蛇一樣蜿蜒穿過桌子，桌子一直延伸到房間的另一邊，然後彎曲回到更遠的開放空間。從一端，一束粒子流穿過管子，其路徑被磁鐵彎曲。另一端有一個目標。當光束擊中靶心時，碰撞會觸發恆星內部發生的聚變過程，即小原子結合形成更大的原子。這些過程發生在整個宇宙的恆星核心深處，並且基本上創造了所有比氦重的元素（天文學家稱之為“金屬”的元素，即使它們不在礦井中）。
所有這些“金屬”都構成了你、我、這些管子、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）關心的所有事物。但科學家們實際上並不瞭解恆星如何聚變元素的細節。而且由於他們無法飛入恆星的中心，他們轉而向地球中心前進。在這裡，遮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來自他們自己實驗的粒子和輻射，而不是來自太陽或太空的粒子和輻射。
當我們到達時，一群研究生和三位教授正圍在幾臺電腦旁，試圖使光束儘可能地精確。小型加速器本身就在他們旁邊的一扇門的另一邊。它看起來像一個兒童化學套裝，只是少了彩色液體。
來自聖母大學的物理學家邁克爾·維舍從同事身邊走開，告訴我他們正在做什麼。他說話很輕聲細語，也許是儘量不打擾他們。不過，他不必擔心：他們的注意力像實驗的光束一樣集中。
那是因為今天是這裡的重要日子：維舍和其他來自聖母大學和南達科他礦業學院的人員，剛剛開始將光束髮射到他們的目標。很快，他們將製造出自己的微型恆星，比大多數人去過的外太空還要遠。他們的第一個實驗將檢查一種名為“氦燃燒”的過程的細節。在燃燒的第一階段，當三個氦核鍊金術般地結合成一個碳時，會發生重要的相互作用——碳是根據定義使分子“有機”的原子。在實際的恆星中，這隻發生在恆星變老時：在像太陽這樣的恆星燃燒掉核心的大部分氫燃料並演變成紅巨星之後，它們才開始聚變氦。但在 SURF，在一個浴室大小的裝置中，CASPAR 可以在科學家認為合適的任何一天瞭解氦燃燒，從而瞭解如何一次又一次地創造出構成我們的元素——在倒轉我們自身時，快進太陽的時鐘。“這不僅僅是物理學，”漢哈特說，他站在那裡注視著團隊的工作，“這是哲學。”換句話說，它處理的是大問題：我們究竟是如何來到這裡的？從宇宙的角度來看，為什麼會這樣？這些問題有科學的答案，但也有存在的意義，科學已經進入了以前只被宗教佔據的領域。
維舍告訴我，歐洲研究人員在格朗薩索進行的一項名為 LUNA–MV 的類似專案的工作落後了兩年。中國正在建造自己的 JUNA。但 CASPAR 將（很快）開始率先“烹飪”。在 CASPAR 團隊獲得一些自己的成果後，他們計劃與其中一些其他團隊合併資料，並將允許科學家來到這個洞穴，使用 CASPAR 裝置進行他們自己的實驗。在不久的將來——當 CASPAR 向合作者開放時，當 LZ 開始搜尋時——SURF 將像金礦的鼎盛時期一樣充滿活力和熙熙攘攘，那時只有一箇中微子實驗蜷縮在一個角落裡。
一位專注於計算機的科學家說：“我們有 100% 的光束傳輸！”然後一位面帶微笑的研究生——來自南達科他礦業學院的托馬斯·卡德萊切克——轉向我和維舍。他說他喜歡這裡。他的祖父在霍姆斯特克礦時期是一名礦工。說完，他迅速轉過身，又回去工作了，靠在電子裝置架上。
我後來發現他的祖父死在了霍姆斯特克礦。正如一代恆星為下一代恆星提供燃料一樣——南達科他州之前的地下世代激勵著後來的世代。“他們認同這座礦山，”維舍解釋說。“這太不可思議了。”