La cage, comme l'ascenseur s'appelle, part à 7h30 précises. Les retardataires n'ont pas de chance.

Près d'une vingtaine de personnes en combinaison, des casques et d'épaisses bottes en caoutchouc se rangent à l'intérieur de la cage avant que les lourdes portes en métal jaune ne soient fermées et que la lente descente dans l'obscurité ne commence. Un flot continu d'eau pleut sur eux depuis les planches de bois qui soutiennent la cage d'ascenseur, qui doit être maintenu constamment humide pour éviter la pourriture. Personne ne semble s'en soucier. Le discours porte sur la vie de famille, les plans du week-end et ce qu'il y a pour le déjeuner.

Environ 10 minutes plus tard, près d'un kilomètre plus bas, l'ascenseur s'arrête. Quand les portes s'ouvrent, vous entrez dans une caverne aux parois rocheuses rugueuses.

Jusqu'en 2002, c'était une mine d'or en activité dans les Black Hills du Dakota du Sud. Les mineurs ont autrefois fait sauter les parois rocheuses avec des explosifs. Les voies ferrées transportaient à pied des chariots chargés de fournitures jusqu'à la surface. Maintenant, ils sont utilisés pour envoyer des mini-trains avec du matériel et du personnel profondément dans les tunnels qui s'étendent dans toutes les directions.

Un peu plus loin dans un couloir se trouve une salle blanche où vous devez changer vos combinaisons, lavez vos bottes et nettoyez vos biens avec de l'alcool à friction. En marchant plus loin, cela commence à ressembler davantage à un lieu de travail ordinaire, bien que sans fenêtre. Les tubes passent au-dessus et le long des murs. Des bureaux se pressent contre un côté du couloir. Il y a même une machine à expresso et une machine à panini.

Au bout du couloir, une paire de portes s'ouvrent pour révéler un laboratoire scientifique, le campus Davis à l'installation de recherche souterraine de Sanford. Il porte le nom de Ray Davis, le premier physicien à détecter expérimentalement les neutrinos émis par le soleil. Dans les années 1960, alors que la mine était encore une mine, Davis a effectué son travail révolutionnaire ici. Aujourd'hui, l'espace ressemble à l'antre d'un méchant dans un vieux film de James Bond. Les chercheurs se précipitent, vérifier l'équipement et les moniteurs. Les ordinateurs empilés les uns sur les autres ronronnent.

C'est là que le physicien Brandeis Bjoern Penning et son laboratoire, avec 250 autres chercheurs du monde entier, sont à la recherche du trésor ultime de la physique des particules :la matière noire. L'une des substances les plus insaisissables mais omniprésentes de l'univers, la matière noire reste l'un des grands mystères scientifiques.

Mais Penning et ses collègues chercheurs sont peut-être sur le point de le résoudre.

Les WIMPS gouvernent-ils l'univers ?

Dans les années 1920, travaillant au sommet du mont Wilson en Californie du Sud, en utilisant ce qui était alors le télescope le plus puissant du monde, L'astronome de Caltech Fritz Zwicky a remarqué quelque chose de particulier dans le mouvement des galaxies situées à des centaines de millions d'années-lumière.

Les étoiles étudiées par Zwicky, d'origine suisse, faisaient partie d'un groupe de galaxies connu sous le nom de Coma Cluster. Les galaxies de l'amas de Coma tournent autour de son centre, un peu comme les planètes de notre système solaire tournent autour du soleil. Grâce à un travail minutieux, Zwicky a calculé la masse des galaxies centrales de Coma pour déterminer l'attraction gravitationnelle qu'elles exerçaient; plus la masse est grande, plus l'attraction gravitationnelle est grande.

Zwicky a vite découvert que ses chiffres ne correspondaient pas. La masse des galaxies centrales n'était pas assez importante pour générer suffisamment de gravité pour maintenir les galaxies périphériques en orbite avec elles. Les galaxies périphériques auraient dû se libérer de Coma et se précipiter dans l'espace.

Il n'y avait qu'une seule conclusion. Il doit y avoir une masse supplémentaire dans le système Coma pour garder toutes les galaxies ensemble, masse qui ne vient pas des étoiles elles-mêmes mais de l'espace entre elles, caché à la vue par la noirceur de l'espace. Lors d'une conférence en 1933, Zwicky a théorisé que cette substance inconnue était Dunkle Materie, ou matière noire.

La théorie de Zwicky a été rapidement oubliée pendant les 40 années suivantes. Puis, dans les années 1970, L'astronome américaine Vera Rubin a effectué des calculs similaires à ceux de Zwicky sur la galaxie d'Andromède. Insister sur, l'une des rares femmes dans son domaine, a travaillé à l'observatoire Palomar de Californie du Sud (où elle a dû attacher le contour d'une jupe à l'icône de l'homme sur une porte de toilettes pour créer des toilettes pour femmes). Ses résultats ont confirmé ce que Zwicky avait trouvé, ressusciter sa théorie de la matière noire.

Des études ultérieures ont donné naissance à une nouvelle prise de conscience du peu que nous connaissons de l'univers. Atomes, il s'avère, représentent moins de 5% de toute la matière. La matière noire représente 27 %. Le reste de l'univers est composé d'une substance tout aussi mystérieuse appelée énergie noire.

Les scientifiques pensent que la matière noire est très probablement composée de particules subatomiques appelées WIMPs, particules massives interagissant faiblement. Les WIMPs sont originaires de l'univers primitif avec la plupart des autres formes de matière, qui sont constitués de particules rapprochées par des forces telles que l'électromagnétisme. Contrairement à ces particules, Les WIMPs sont des solitaires. Ils sont principalement attirés par d'autres particules par gravité, un lien incroyablement faible par rapport aux autres forces agissant sur la matière dans l'univers.

Bien que les WIMPs soient partout autour de nous, ils ne sont pas attirés par les atomes qui composent notre corps. Comme des fantômes, des milliards de WIMPs nous traversent chaque seconde sans que nous le sachions jamais.

Lorsque les WIMPs s'écrasent sur un atome, ils produisent un unique, signal très faible. Si la recherche de la matière noire était menée en surface, ce signal serait noyé par le rayonnement cosmique provenant du soleil, ou être projeté dans notre direction par l'effondrement ou la collision d'étoiles.

C'est pourquoi les recherches de SURF sur la matière noire sont menées dans une mine abandonnée sous la terre. La roche et la saleté au-dessus réduisent le rayonnement cosmique d'un facteur de 1 milliard. Plusieurs autres grandes expériences scientifiques sont également en cours à SURF, qui est exploité par la South Dakota Science and Technology Authority, et financé par le département américain de l'Énergie, l'état du Dakota du Sud et les dons privés. Malgré toute la saleté, poussière et gravillons, cette mine abandonnée est, du point de vue d'un physicien des particules, un environnement idéalement « propre » pour effectuer des recherches.

Éliminer l'impossible

Penning, 41, a rejoint Brandeis en 2017. Il a grandi à Spaichingen, une petite ville du sud de l'Allemagne au bord de la Forêt-Noire. A 7 ans il a reçu un télescope pour Noël, l'a dirigé vers les étoiles et a été accroché. Une passion pour "Star Trek" a naturellement suivi. "Depuis que je savais que je ne pouvais pas devenir capitaine de Starfleet, " il dit, « Je devais faire ce que Spock fait – officier scientifique.

A l'université voisine de Fribourg, il a étudié la physique des particules à la fois en tant qu'étudiant de premier cycle et titulaire d'un doctorat. étudiant. Ses recherches l'ont emmené dans l'Illinois pour étudier au Fermilab, le premier accélérateur de particules aux États-Unis, où les atomes sont écrasés ensemble à une vitesse proche de la vitesse de la lumière afin que les scientifiques puissent analyser les débris. Là, il a rencontré sa femme, Marcelle Soares-Santos, qui, comme Penning, est maintenant professeur adjoint de physique à Brandeis.

En tant que membre du corps professoral de l'Université de Bristol en Angleterre au milieu des années 2010, Penning a travaillé au Grand collisionneur de hadrons en Suisse, un accélérateur de particules encore plus grand que Fermilab. Il faisait partie de l'équipe qui en 2012 a confirmé l'existence du boson de Higgs, la particule qui donne la masse à toutes les autres particules. Ce fut une percée majeure :le Higgs était la dernière particule subatomique non découverte dans le soi-disant modèle standard de la physique des particules, lequel, finalisé dans les années 1970, est le modèle le plus complet à ce jour du fonctionnement de l'univers.

Mais bien que le modèle standard englobe 17 particules différentes, y compris les quarks, leptons et neutrinos, il n'inclut pas les WIMPs. Lorsque le Grand collisionneur de hadrons a été construit il y a 11 ans, les scientifiques espéraient que cela fournirait des preuves de particules en dehors du modèle standard. Ce n'est pas le cas, incitant certains scientifiques à douter de l'existence des WIMPs et, au lieu, parler d'alternatives comme les axions, neutrinos stériles et WIMPzillas.

En 2013, les chercheurs ont annoncé les résultats de leur première tentative pour trouver la matière noire. L'expérience de la matière noire du grand xénon souterrain, comme on l'appelait, a fonctionné pendant trois ans et demi. Il n'a rien donné.

Depuis, Penning et des chercheurs d'universités et de laboratoires du monde entier ont révisé leur conception et développé un nouveau détecteur, le LUX-ZEPLIN, presque 1, 000 fois plus sensible que le LUX. Penning dit qu'il a de bien meilleures chances de succès.

Le détecteur LUX-ZEPLIN se compose d'une série de tamis imbriqués, chacun conçu pour filtrer diverses particules subatomiques de sorte que, du moins en théorie, toute particule qui parvient au centre est une WIMP. Pour souligner la logique, Penning cite Sherlock Holmes :« Quand vous avez éliminé l'impossible, tout ce qui reste, aussi improbable, doit être la vérité."

Toujours en construction, le tamis le plus à l'extérieur est une cuve en acier inoxydable de 26 pieds. Parce que l'eau bloque le passage du rayonnement gamma et des neutrons, 70, 000 gallons d'eau ultra pure seront versés à l'intérieur de la cuve pour empêcher ces particules de progresser vers l'intérieur.

Un deuxième tamis bloquera les neutrons, qui posent un problème particulier car ils induisent un signal faible qui peut facilement être confondu avec des WIMPs. Ce tamis se compose de 10 réservoirs acryliques de 12 pieds suspendus dans l'eau et remplis de gadolinium liquéfié - les neutrons collent aux atomes de gadolinium - et d'alkylbenzène linéaire, un composant commun des produits de nettoyage.

L'équipe de Penning a conçu les capteurs qui entourent les réservoirs en acrylique. Ils ressemblent à des K-Cups géantes gainées de Tyvek blanc. Lorsque les neutrons entrent en contact avec des atomes de gadolinium et sont "capturés, " des photons sont émis. Les capteurs détectent ces photons, ce qui signale que tout fonctionne comme prévu et qu'aucun neutron ne traverse la barrière de gadolinium.

Le sanctuaire le plus intime de l'expérience - la pièce de résistance - est un cylindre en titane de 13 pieds rempli de xénon liquide. Immergé dans l'eau, le cylindre sera entouré par les réservoirs acryliques.

Si les théories des scientifiques sur les WIMPs sont correctes, alors le xénon est l'élément planétaire le mieux à même de détecter les particules de matière noire. Densément emballés ensemble, les atomes de xénon peuvent piéger les WIMPs, libérant deux éclairs de lumière détectables par des capteurs dans le cylindre en titane pour informer les chercheurs de la découverte de matière noire.

Comme construire un bateau dans une bouteille

En mars 2019, Penning et son laboratoire travaillaient à SURF à l'intérieur du conteneur en acier inoxydable du détecteur, qui était vide à l'exception du cylindre en titane qui contiendra éventuellement le xénon. L'équipe Penning, le boursier postdoctoral Ryan Wang, ingénieur mécanicien senior Andrei Dushkin, L'étudiant diplômé Luke Korley et l'ingénieur électricien Richard Studley construisent l'échafaudage qui contournera le mur intérieur et contiendra les capteurs de type K-Cup conçus par Penning.

Les scientifiques de Brandeis n'ont fait qu'un essai avec des pièces et des équipements factices. Lorsque le détecteur sera allumé plus tard cette année, toutes les autres universités collaborant à l'expérience auront terminé leur partie du processus d'installation à l'intérieur du conteneur. L'équipage Brandeis, le dernier à partir, n'aura que 3,5 pieds entre le mur et l'appareil des autres scientifiques pour travailler. Penning compare cela à la construction d'un navire dans une bouteille à l'intérieur de la bouteille. Cela demande beaucoup de pratique.

Les normes de propreté strictes à respecter rendent la tâche particulièrement difficile. Les WIMPs sont si faibles que même un grain de poussière peut obscurcir leur signal et perturber les capteurs. Si l'équipe de Penning fait tomber un outil ou laisse tomber une vis, le sol pourrait facilement être ébréché.

Le laboratoire Penning travaille donc avec un rythme précis. Dushkin monte et descend une échelle, boulonner ensemble les tiges métalliques de l'échafaudage. Korley lui remet les outils dont il a besoin. Studley s'agenouille sur le sol, à l'aide d'un niveau laser pour s'assurer que les jambes de force s'alignent. Ils ne parlent pas beaucoup. Ils savent exactement ce qu'ils doivent faire.

Pendant ce temps, Studley travaille également sur un problème auquel le groupe sera confronté dans les jours précédant la mise en service du détecteur. Ils devront apporter une échelle à l'intérieur avec eux pour ériger l'échafaudage. Ils feront le tour du cylindre jusqu'à ce qu'ils reviennent à l'entrée, un petit portail de 3 pieds de large. Mais il n'y aura pas assez de place pour pousser l'échelle hors du portail. La seule solution est une échelle sur mesure qui est pliable ou démontable. Studley dit que c'est faisable, mais il n'a pas encore tout à fait compris.

Vers la fin de la journée, tout le monde commence à remarquer une odeur nauséabonde, comme des choux pourris ou des chaussettes malodorantes. Penning dit que c'est comme si un géant coupait le vent.

En réalité, c'est un exercice d'évacuation. Certains des tunnels où travaillent les scientifiques manquent d'électricité ou de réception de téléphone portable. La seule façon de les atteindre est de libérer du gaz puant, qui est du gaz naturel avec des niveaux non toxiques du produit chimique éthyl mercaptan. L'installation alerte les gens d'autres manières :alarmes, e-mails et SMS, mais le gaz puant ajoute un niveau de sécurité supplémentaire ingénieux. Même si vous ne saviez pas qu'il était censé déclencher une évacuation, vous seriez désespéré de sortir.

Le gaz puant signifie que le travail doit se terminer pour la journée. La Cage ne fait qu'un aller-retour dans l'après-midi. Celui d'aujourd'hui devra être tôt. Les scientifiques se pressent à l'intérieur et sont ramenés à la surface.

Lorsque le détecteur de matière noire de SURF devient opérationnel, ses centaines de capteurs vont collecter des millions de données chaque seconde, sept jours sur sept, 24 heures par jour, pour les cinq prochaines années. Les scientifiques surveilleront les résultats sur leurs ordinateurs dans leurs universités.

Si un WIMP est découvert, aucune alarme ne sonnera, aucune cloche ne sonnera. Les chercheurs remarqueront simplement un groupe de points sur un nuage de points. Les résultats seront étudiés, vérifié, revérifiés et revus par certains des plus sceptiques du projet. Si tout se passe bien, notre compréhension de l'univers sera à jamais transformée.

Ray Davis, qui a fait son travail au fond du même tunnel qui abrite maintenant SURF, a remporté le prix Nobel de physique. Si Penning et ses collègues réussissent dans leur effort, ils pourraient trouver le même or.

Les opérations SURF sont suspendues en raison de la pandémie de COVID-19. Les scientifiques s'attendent à ce que l'expérience redémarre plus tard cet été.