La caja, como se llama el ascensor, sale exactamente a las 7:30 a.m. Los que llegan tarde no tienen suerte.

Casi dos docenas de personas en overoles, cascos y botas de goma gruesas se empacan dentro de la jaula antes de que las pesadas puertas de metal amarillo se cierren de un tirón y comience el lento descenso hacia la oscuridad. Una corriente constante de agua cae sobre ellos desde los tablones de madera que apuntalan el hueco del ascensor, que debe mantenerse continuamente húmedo para evitar la pudrición. A nadie parece importarle. La charla es sobre la vida familiar, planes de fin de semana y qué hay para almorzar.

Aproximadamente 10 minutos después, casi una milla hacia abajo, el ascensor golpea hasta detenerse. Cuando las puertas se abren entras en una caverna con paredes de roca rugosa.

Hasta 2002, se trataba de una mina de oro en funcionamiento en Black Hills, en Dakota del Sur. Una vez, los mineros volaron las paredes de roca con explosivos. Las vías del tren llevaban carros cargados con suministros hasta la superficie. Ahora se utilizan para enviar minitrenes con equipo y personal a las profundidades de los túneles que se extienden en todas direcciones.

Un poco más abajo en un pasillo hay una sala limpia donde debe cambiarse el overol, Lave sus botas y limpie sus pertenencias con alcohol isopropílico. Mientras caminas más lejos comienza a sentirse más como un lugar de trabajo normal, aunque sin ventanas. Los tubos corren por encima y a lo largo de las paredes. Los escritorios presionan contra un lado del pasillo. Incluso hay una máquina de café exprés y una máquina de panini.

Al final del pasillo, un par de puertas se abren para revelar un laboratorio científico, el campus de Davis en la instalación de investigación subterránea de Sanford. Lleva el nombre de Ray Davis, el primer físico en detectar experimentalmente neutrinos emitidos por el sol. En los años 1960, mientras la mía seguía siendo mía, Davis llevó a cabo su trabajo pionero aquí. Hoy dia, el espacio se asemeja a la guarida de un villano en una vieja película de James Bond. Los investigadores se apresuran comprobación de equipos y monitores. Las computadoras apiladas unas encima de otras zumban.

Aquí es donde el físico de Brandeis Bjoern Penning y su laboratorio, junto con otros 250 investigadores de todo el mundo, están buscando el último tesoro de la física de partículas:la materia oscura. Una de las sustancias más esquivas y omnipresentes del universo, La materia oscura sigue siendo uno de los grandes misterios científicos.

Pero Penning y sus colegas investigadores pueden estar a punto de romperlo.

¿Los WIMPS gobiernan el universo?

En la década de 1920, trabajando en lo alto del monte Wilson del sur de California, utilizando el que entonces era el telescopio más poderoso del mundo, El astrónomo de Caltech Fritz Zwicky notó algo peculiar en el movimiento de las galaxias a cientos de millones de años luz de distancia.

Las estrellas que estudió Zwicky, nacido en Suiza, formaban parte de un grupo de galaxias conocido como Coma Cluster. Las galaxias del Cúmulo de Coma giran alrededor de su centro, al igual que los planetas de nuestro sistema solar giran alrededor del sol. A través de un trabajo minucioso, Zwicky calculó la masa de las galaxias centrales de Coma para determinar la atracción gravitacional que ejercían; cuanto mayor sea la masa, cuanto mayor sea la atracción gravitacional.

Zwicky pronto descubrió que sus números no cuadraban. La masa de las galaxias centrales no era lo suficientemente grande como para generar suficiente gravedad para mantener a las galaxias periféricas en órbita con ellas. Las galaxias periféricas deberían haberse liberado de Coma y haber salido disparadas hacia el espacio.

Solo hubo una conclusión. Debe haber masa adicional en el sistema Coma para mantener juntas todas las galaxias, masa que no proviene de las estrellas mismas, sino del espacio entre ellas, oculto a la vista por la negrura del espacio. En una conferencia de 1933, Zwicky teorizó que esta sustancia desconocida era Dunkle Materie, o materia oscura.

La teoría de Zwicky fue rápidamente olvidada durante los siguientes 40 años. Luego, en los 1970s, La astrónoma estadounidense Vera Rubin realizó cálculos similares a los de Zwicky en la galaxia de Andrómeda. Frotar, una de las pocas mujeres en su campo, trabajó en el Observatorio Palomar del sur de California (donde tuvo que adjuntar el contorno de una falda al ícono del hombre en la puerta de un baño para crear un baño para mujeres). Sus resultados confirmaron lo que había encontrado Zwicky, resucitando su teoría de la materia oscura.

Estudios posteriores dieron a luz a una nueva conciencia de lo poco que sabemos sobre el universo. Átomos resulta, representan menos del 5% de toda la materia. La materia oscura representa el 27%. El resto del universo está compuesto por una sustancia igualmente misteriosa llamada energía oscura.

Los científicos creen que la materia oscura probablemente esté formada por partículas subatómicas llamadas WIMP, partículas masivas que interactúan débilmente. Los WIMP se originaron en el universo temprano junto con la mayoría de las otras formas de materia, que están formados por partículas unidas por fuerzas como el electromagnetismo. A diferencia de esas partículas, Los WIMP son solitarios. Se sienten atraídos principalmente por otras partículas por la gravedad, un vínculo increíblemente débil en comparación con las otras fuerzas que actúan sobre la materia en el universo.

Aunque los WIMP están a nuestro alrededor, no se sienten atraídos por los átomos que forman nuestro cuerpo. Como fantasmas miles de millones de WIMP pasan a través de nosotros cada segundo sin que nos demos cuenta.

Cuando los WIMP chocan contra un átomo, producen un único, señal muy débil. Si la búsqueda de materia oscura se realizara en la superficie, esta señal sería ahogada por la radiación cósmica proveniente del sol, o ser arrojados en nuestra dirección por estrellas que colapsan o chocan.

Esta es la razón por la que la investigación de la materia oscura de SURF se está llevando a cabo en una mina abandonada debajo de la tierra. La roca y la tierra de arriba reducen la radiación cósmica en un factor de mil millones. Varios otros experimentos científicos importantes también se están llevando a cabo en SURF, que es operado por la Autoridad de Ciencia y Tecnología de Dakota del Sur, y financiado por el Departamento de Energía de EE. UU., el estado de Dakota del Sur y donaciones privadas. A pesar de toda la suciedad polvo y rocas que se descascaran, esta mía abandonada es, desde el punto de vista de un físico de partículas, un entorno idealmente "limpio" en el que realizar la investigación.

Eliminando lo imposible

Encierro, 41, se unió a Brandeis en 2017. Creció en Spaichingen, una pequeña ciudad en el sur de Alemania en el límite de la Selva Negra. A los 7 años recibió un telescopio por Navidad, apuntó a las estrellas y quedó enganchado. La pasión por "Star Trek" siguió naturalmente. "Desde que supe que no podía convertirme en un capitán de la Flota Estelar, " él dice, "Tenía que hacer lo que hace Spock:oficial científico".

En la cercana Universidad de Friburgo, estudió física de partículas como licenciatura y doctorado. estudiante. Su investigación lo llevó a Illinois para estudiar en Fermilab, el principal acelerador de partículas de EE. UU., donde los átomos se rompen entre sí a una velocidad cercana a la de la luz para que los científicos puedan analizar los escombros. Allí, conoció a su esposa, Marcelle Soares-Santos, OMS, como Penning, ahora es profesor asistente de física en Brandeis.

Como miembro de la facultad de la Universidad de Bristol de Inglaterra a mediados de la década de 2010, Penning trabajó en el Gran Colisionador de Hadrones de Suiza, un acelerador de partículas aún más grande que Fermilab. Formó parte del equipo que en 2012 confirmó la existencia del bosón de Higgs, la partícula que da masa a todas las demás partículas. Fue un gran avance:el Higgs fue la última partícula subatómica no descubierta en el llamado Modelo Estándar de física de partículas, cuales, finalizado en la década de 1970, es el modelo más completo hasta la fecha de cómo funciona el universo.

Pero aunque el modelo estándar abarca 17 partículas diferentes, incluyendo quarks, leptones y neutrinos, no incluye WIMP. Cuando se construyó el Gran Colisionador de Hadrones hace 11 años, los científicos esperaban que arrojara evidencia de partículas fuera del Modelo Estándar. No lo ha hecho lo que llevó a algunos científicos a dudar de la existencia de WIMP y, en lugar de, hablar de alternativas como axiones, neutrinos estériles y WIMPzillas.

En 2013, Los investigadores anunciaron los resultados de su primer intento de encontrar materia oscura. El gran experimento de materia oscura de xenón subterráneo, como fue llamado, funcionó durante tres años y medio. No salió nada.

Desde entonces, Penning e investigadores de universidades y laboratorios de todo el mundo han revisado su diseño y desarrollado un nuevo detector, el LUX-ZEPLIN, casi 1, 000 veces más sensible que el LUX. Penning dice que tiene muchas más posibilidades de éxito.

El detector LUX-ZEPLIN consta de una serie de tamices anidados, cada uno diseñado para filtrar varias partículas subatómicas de modo que, al menos en teoría, cualquier partícula que llegue al centro es un WIMP. Para subrayar la lógica, Penning cita a Sherlock Holmes:"Cuando hayas eliminado lo imposible, lo que quede, por improbable que sea, debe ser la verdad ".

Todavía en construcción el tamiz más externo es una tina de acero inoxidable de 26 pies. Debido a que el agua bloquea el paso de la radiación gamma y los neutrones, 70, Se verterán 000 galones de agua ultrapura dentro de la tina para evitar que estas partículas avancen hacia el interior.

Un segundo tamiz bloqueará los neutrones, que son un problema especial ya que inducen una señal débil que puede confundirse fácilmente con WIMP. Este tamiz consta de 10 tanques acrílicos de 12 pies suspendidos en el agua y llenos de gadolinio licuado (los neutrones se adhieren a los átomos de gadolinio) y alquilbenceno lineal, un componente común de los productos de limpieza.

El equipo de Penning diseñó los sensores que rodean los tanques de acrílico. Parecen copas K gigantes enfundadas en Tyvek blanco. Cuando los neutrones entran en contacto con átomos de gadolinio y son "capturados, "se emiten fotones. Los sensores detectan estos fotones, lo que indica que todo está funcionando según lo planeado y que ningún neutrón se está deslizando a través de la barrera de gadolinio.

El santuario más interno del experimento, la pieza de resistencia, es un cilindro de titanio de 13 pies lleno de xenón líquido. Sumergido en el agua el cilindro estará rodeado por los tanques acrílicos.

Si las teorías de los científicos sobre los WIMP son correctas, entonces el xenón es el elemento planetario más capaz de detectar partículas de materia oscura. Densamente empaquetados juntos, Los átomos de xenón pueden atrapar a los WIMP, liberando dos destellos de luz detectables por sensores en el cilindro de titanio para que los investigadores sepan que se ha encontrado materia oscura.

Como construir un barco dentro de una botella

En marzo de 2019, Penning y su laboratorio estaban en SURF trabajando dentro del contenedor de acero inoxidable del detector, que estaba vacío excepto por el cilindro de titanio que eventualmente sostendrá el xenón. El equipo de Penning:el becario postdoctoral Ryan Wang, ingeniero mecánico senior Andrei Dushkin, El estudiante graduado Luke Korley y el ingeniero eléctrico Richard Studley están construyendo el andamio que correrá alrededor de la pared interior y sostendrá los sensores tipo K-Cup que diseñó Penning.

Los científicos de Brandeis solo han realizado una prueba con piezas y equipos ficticios. Cuando el detector se encienda a finales de este año, todas las demás universidades que colaboran en el experimento habrán completado su parte del proceso de instalación dentro del contenedor. La tripulación de Brandeis, el último en irse, tendrá sólo 3,5 pies entre la pared y el aparato de los otros científicos para trabajar. Penning lo compara con construir un barco en una botella mientras está dentro de la botella. Requiere mucha práctica.

Los estrictos estándares de limpieza que deben observarse hacen que la tarea sea especialmente difícil. Los WIMP son tan débiles que incluso una mota de polvo puede oscurecer su señal y desprender los sensores. Si el equipo de Penning deja caer una herramienta o deja caer un tornillo, el piso podría astillarse fácilmente.

Entonces, el laboratorio de Penning trabaja con un ritmo preciso. Dushkin sube y baja por una escalera, atornillando las varillas de metal del andamio. Korley le entrega las herramientas que necesita. Studley se arrodilla en el suelo, usando un nivel láser para asegurar que los puntales estén alineados. No hablan mucho. Saben exactamente lo que deben hacer.

Mientras tanto, Studley también está trabajando en un problema que enfrentará el grupo en los días antes de que el detector entre en funcionamiento. Tendrán que traer una escalera adentro para montar el andamio. Trabajarán su camino alrededor del cilindro hasta que lleguen a la entrada, un pequeño portal de 3 pies de ancho. Pero no habrá suficiente espacio para empujar la escalera fuera del portal. La única solución es una escalera hecha a medida que sea plegable o que se pueda desmontar. Studley dice que es factible pero aún no lo ha descubierto del todo.

Hacia el final del día todos comienzan a notar un hedor nauseabundo, como repollos podridos o calcetines malolientes. Penning dice que es como si un gigante rompiera el viento.

De hecho, es un simulacro de evacuación. Algunos de los túneles donde trabajan los científicos carecen de electricidad o de recepción de teléfonos móviles. La única forma de llegar a ellos es liberar gas hediondo, que es gas natural con niveles no tóxicos del químico etil mercaptano. Hay otras formas en que la instalación alerta a las personas:alarmas, correos electrónicos y mensajes de texto, pero el hedor a gas agrega un ingenioso nivel adicional de seguridad. Incluso si no sabía que estaba destinado a desencadenar una evacuación, estarías desesperado por salir.

El hedor a gas significa que el trabajo debe terminar por hoy. The Cage realiza solo un viaje de regreso por la tarde. El de hoy tendrá que ser temprano. Los científicos se agolpan en el interior y son llevados de regreso a la superficie.

Cuando el detector de materia oscura de SURF entre en funcionamiento, sus cientos de sensores recopilarán millones de datos cada segundo, siete días a la semana, 24 horas al dia, durante los próximos cinco años. Los científicos monitorearán los resultados en sus computadoras en sus universidades.

Si se descubre un WIMP, no sonarán alarmas, no sonarán campanas. Los investigadores simplemente notarán un grupo de puntos en un diagrama de dispersión. Los resultados se analizarán minuciosamente, comprobado, revisado y revisado por algunos de los escépticos más duros del proyecto. Si todo sale bien nuestra comprensión del universo se transformará para siempre.

Ray Davis, quien hizo su trabajo en lo profundo del mismo túnel que ahora alberga SURF, pasó a ganar el Premio Nobel de Física. Si Penning y sus colegas tienen éxito en su esfuerzo, podrían encontrar el mismo oro.

Las operaciones de SURF están en espera debido a la pandemia de COVID-19. Los científicos esperan que el experimento se reinicie a finales de este verano.