A gaiola, como o elevador é chamado, sai exatamente às 7h30. Os retardatários estão sem sorte.

Quase duas dúzias de pessoas em macacões, capacetes e botas de borracha grossas se acumulam dentro da Cage antes que as pesadas portas de metal amarelo sejam fechadas e a lenta descida para a escuridão comece. Um fluxo constante de água chove sobre eles das pranchas de madeira que sustentam o poço do elevador, que deve ser mantido continuamente úmido para evitar o apodrecimento. Ninguém parece se importar. A conversa é sobre a vida familiar, planos de fim de semana e o que há para o almoço.

Cerca de 10 minutos depois, quase uma milha abaixo, o elevador pára. Quando as portas se abrem, você entra em uma caverna com paredes de rocha áspera.

Até 2002, esta era uma mina de ouro em funcionamento em Black Hills em South Dakota. Os mineiros uma vez explodiram as paredes de rocha com explosivos. Os trilhos sob os pés carregavam carroças carregadas de suprimentos até a superfície. Agora eles estão sendo usados ​​para enviar minitrens com equipamentos e pessoal para os túneis que se estendem em todas as direções.

Um pouco mais adiante em um corredor há uma sala limpa onde você deve trocar seu macacão, lave suas botas e limpe seus pertences com álcool isopropílico. Conforme você anda mais longe, começa a parecer mais um local de trabalho normal - embora sem janelas. A tubulação passa por cima e ao longo das paredes. As carteiras se pressionam contra um dos lados do corredor. Há até uma máquina de café expresso e uma máquina de panini.

No final do corredor, um par de portas se abrem para revelar um laboratório científico, o Davis Campus no Sanford Underground Research Facility. É o nome de Ray Davis, o primeiro físico a detectar experimentalmente neutrinos emitidos pelo sol. Na década de 1960, enquanto a mina ainda era uma mina, Davis realizou seu trabalho inovador aqui. Hoje, o espaço lembra o covil de um vilão em um antigo filme de James Bond. Os pesquisadores correm ao redor, verificação de equipamentos e monitores. Computadores empilhados uns sobre os outros zumbem.

Este é o lugar onde o físico de Brandeis Bjoern Penning e seu laboratório, junto com 250 outros pesquisadores de todo o mundo, estão em busca do tesouro definitivo em física de partículas - matéria escura. Uma das substâncias mais elusivas e onipresentes no universo, a matéria escura continua sendo um dos grandes mistérios científicos.

Mas Penning e seus colegas pesquisadores podem estar prestes a decifrá-lo.

O WIMPS governa o universo?

Na década de 1920, trabalhando no topo do Monte Wilson, no sul da Califórnia, usando o que era então o telescópio mais poderoso do mundo, O astrônomo do Caltech, Fritz Zwicky, notou algo peculiar sobre o movimento de galáxias a centenas de milhões de anos-luz de distância.

As estrelas que Zwicky, nascido na Suíça, estudou faziam parte de um grupo de galáxias conhecido como Aglomerado Coma. As galáxias do Aglomerado Coma giram em torno de seu centro, muito parecido com os planetas do nosso sistema solar giram em torno do sol. Por meio de um trabalho árduo, Zwicky calculou a massa das galáxias centrais de Coma para determinar a atração gravitacional que exerceram; quanto maior a massa, quanto maior a atração gravitacional.

Zwicky logo descobriu que seus números não batiam. A massa das galáxias centrais não era grande o suficiente para gerar gravidade suficiente para manter as galáxias periféricas em órbita com elas. As galáxias periféricas deveriam ter se libertado de Coma e disparado para o espaço.

Havia apenas uma conclusão. Deve haver massa adicional no sistema Coma para manter todas as galáxias juntas, massa que não vem das próprias estrelas, mas do espaço entre elas, escondido da vista pela escuridão do espaço. Em uma conferência de 1933, Zwicky teorizou que esta substância desconhecida era Dunkle Materie, ou matéria escura.

A teoria de Zwicky foi prontamente esquecida pelos próximos 40 anos. Então, Na década de 1970, A astrônoma americana Vera Rubin realizou cálculos semelhantes aos de Zwicky na Galáxia de Andrômeda. Esfregar, uma das poucas mulheres em seu campo, trabalhou no Observatório Palomar do sul da Califórnia (onde teve de anexar o contorno de uma saia ao ícone do homem na porta de um banheiro para criar um banheiro feminino). Seus resultados confirmaram o que Zwicky havia encontrado, ressuscitando sua teoria da matéria escura.

Estudos subsequentes deram origem a uma nova consciência de quão pouco sabemos sobre o universo. Átomos, acontece que, representam menos de 5% de toda a matéria. A matéria escura é responsável por 27%. O resto do universo é composto de uma substância igualmente misteriosa chamada energia escura.

Os cientistas acreditam que a matéria escura é provavelmente composta de partículas subatômicas chamadas WIMPs, partículas massivas de interação fraca. WIMPs originaram-se no início do universo junto com a maioria das outras formas de matéria, que são feitos de partículas unidas por forças como o eletromagnetismo. Ao contrário dessas partículas, WIMPs são solitários. Eles são atraídos principalmente por outras partículas pela gravidade, um vínculo incrivelmente fraco em comparação com as outras forças que agem sobre a matéria do universo.

Embora os WIMPs estejam ao nosso redor, eles não são atraídos pelos átomos que constituem nossos corpos. Como fantasmas, bilhões de WIMPs passam por nós a cada segundo sem que nunca saibamos.

Quando os WIMPs colidem com um átomo, eles produzem um único, sinal muito fraco. Se a busca por matéria escura fosse conduzida acima do solo, este sinal seria abafado pela radiação cósmica vinda do sol, ou sendo arremessado em nossa direção por estrelas em colapso ou colisão.

É por isso que a pesquisa de matéria escura da SURF está sendo conduzida em uma mina abandonada sob a terra. A rocha e a sujeira acima reduzem a radiação cósmica por um fator de 1 bilhão. Vários outros experimentos científicos importantes também estão em andamento no SURF, que é operado pela Autoridade de Ciência e Tecnologia de Dakota do Sul, e financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, o estado de Dakota do Sul e doações privadas. Apesar de toda a sujeira, poeira e lascas de rocha, esta mina abandonada é, do ponto de vista de um físico de partículas, um ambiente idealmente "limpo" para realizar pesquisas.

Eliminando o impossível

Penning, 41, ingressou na Brandeis em 2017. Ele cresceu em Spaichingen, uma pequena cidade no sul da Alemanha, na orla da Floresta Negra. Aos 7 anos, ele recebeu um telescópio de Natal, mirou nas estrelas e foi fisgado. A paixão por "Star Trek" surgiu naturalmente. "Como eu sabia que não poderia me tornar um capitão da Frota Estelar, " ele diz, "Eu tive que fazer o que Spock faz - oficial de ciências."

Na vizinha Universidade de Freiburg, ele estudou física de partículas tanto na graduação quanto no doutorado. estudante. Sua pesquisa o levou a Illinois para estudar no Fermilab, o principal acelerador de partículas nos EUA, onde os átomos são esmagados perto da velocidade da luz para que os cientistas possam analisar os detritos. Lá, ele conheceu sua esposa, Marcelle Soares-Santos, quem, como Penning, agora é professor assistente de física na Brandeis.

Como membro do corpo docente da University of Bristol, na Inglaterra, em meados da década de 2010, Penning trabalhou no Grande Colisor de Hádrons da Suíça, um acelerador de partículas ainda maior do que o Fermilab. Ele fez parte da equipe que em 2012 confirmou a existência do bóson de Higgs, a partícula que dá massa a todas as outras partículas. Foi um grande avanço:o Higgs foi a última partícula subatômica não descoberta no chamado Modelo Padrão da física de partículas, que, finalizado na década de 1970, é o modelo mais completo até hoje de como o universo funciona.

Mas embora o Modelo Padrão englobe 17 partículas diferentes, incluindo quarks, léptons e neutrinos, não inclui WIMPs. Quando o Grande Colisor de Hádrons foi construído 11 anos atrás, os cientistas esperavam que produzisse evidências de partículas fora do modelo padrão. Não tem, levando alguns cientistas a duvidar da existência de WIMPs e, em vez de, para falar sobre alternativas como axions, neutrinos estéreis e WIMPzillas.

Em 2013, pesquisadores anunciaram os resultados de sua primeira tentativa de encontrar matéria escura. O experimento de matéria escura do Large Underground Xenon, como era chamado, correu por três anos e meio. Não deu em nada.

Desde então, Pesquisadores de universidades e laboratórios de todo o mundo revisaram seu design e desenvolveram um novo detector, o LUX-ZEPLIN, quase 1, 000 vezes mais sensível que o LUX. Penning diz que tem uma chance muito maior de sucesso.

O detector LUX-ZEPLIN consiste em uma série de peneiras aninhadas, cada um projetado para filtrar várias partículas subatômicas para que, pelo menos em teoria, qualquer partícula que chega ao centro é um WIMP. Para enfatizar a lógica, Escrevendo citações de Sherlock Holmes:"Quando você tiver eliminado o impossível, o que resta, por mais improvável que seja, deve ser a verdade. "

Ainda em construção, a peneira mais externa é uma cuba de aço inoxidável de 26 pés. Como a água bloqueia a passagem de radiação gama e nêutrons, 70, 000 galões de água ultra-pura serão despejados dentro do tanque para evitar que essas partículas avancem para o interior.

Uma segunda peneira irá bloquear os nêutrons, que são um problema especial, pois induzem um sinal fraco que pode ser facilmente confundido com WIMPs. Esta peneira consiste em 10 tanques de acrílico de 12 pés suspensos na água e preenchidos com gadolínio liquefeito - nêutrons aderem a átomos de gadolínio - e alquilbenzeno linear, um componente comum de produtos de limpeza.

A equipe de Penning projetou os sensores que circundam os tanques de acrílico. Eles se parecem com K-Cups gigantes revestidos de Tyvek branco. Quando nêutrons entram em contato com átomos de gadolínio e são "capturados, "fótons são emitidos. Os sensores detectam esses fótons, que sinaliza que tudo está funcionando como planejado e nenhum nêutron está escapando pela barreira de gadolínio.

O santuário mais íntimo do experimento - a pièce de résistance - é um cilindro de titânio de 13 pés cheio de xenônio líquido. Submerso na água, o cilindro será circundado pelos tanques de acrílico.

Se as teorias dos cientistas sobre WIMPs estiverem corretas, então o xenônio é o elemento planetário mais capaz de detectar partículas de matéria escura. Densamente embalado, átomos de xenônio podem capturar WIMPs, liberando dois flashes de luz detectáveis ​​por sensores no cilindro de titânio para que os pesquisadores saibam que a matéria escura foi encontrada.

Como construir um navio dentro de uma garrafa

Em março de 2019, Penning e seu laboratório estavam na SURF trabalhando dentro do recipiente de aço inoxidável do detector, que estava vazio, exceto pelo cilindro de titânio que eventualmente conterá o xenônio. A equipe Penning - colega de pós-doutorado Ryan Wang, engenheiro mecânico sênior Andrei Dushkin, o estudante de graduação Luke Korley e o engenheiro elétrico Richard Studley - estão construindo o andaime que contornará a parede interna e conterá os sensores tipo K-Cup que Penning projetou.

Os cientistas de Brandeis fizeram apenas um teste usando peças e equipamentos falsos. Quando o detector for ligado no final deste ano, todas as outras universidades que colaboraram no experimento terão concluído sua parte do processo de instalação dentro do contêiner. A tripulação Brandeis, o último a ir, terá apenas 3,5 pés entre a parede e o aparato de outros cientistas para trabalhar. Penning compara isso a construir um navio em uma garrafa dentro da garrafa. Requer muita prática.

Os rígidos padrões de limpeza que devem ser observados tornam a tarefa especialmente difícil. WIMPs são tão fracos que até mesmo uma partícula de poeira pode obscurecer seu sinal e jogar fora os sensores. Se a equipe de Penning deixar cair uma ferramenta ou deixar um parafuso cair, o chão pode ser facilmente lascado.

Portanto, o laboratório Penning trabalha com um ritmo preciso. Dushkin sobe e desce uma escada, aparafusando as hastes de metal do andaime. Korley entrega a ele as ferramentas de que ele precisa. Studley se ajoelha no chão, usando um nível de laser para garantir o alinhamento dos suportes. Eles não falam muito. Eles sabem exatamente o que precisam fazer.

Enquanto isso, Studley também está trabalhando em um problema que o grupo enfrentará dias antes de o detector entrar em operação. Eles precisarão trazer uma escada para dentro para erguer o andaime. Eles trabalharão ao redor do cilindro até chegarem de volta na entrada, um pequeno portal de 3 pés de largura. Mas não haverá espaço suficiente para empurrar a escada para fora do portal. A única solução é uma escada personalizada que pode ser dobrada ou desmontada. Studley diz que é viável, mas ele ainda não percebeu.

Perto do final do dia, todo mundo começa a notar um mau cheiro, como repolhos podres ou meias fedorentas. Penning diz que é como se um gigante quebrasse o vento.

Na verdade, é um exercício de evacuação. Alguns dos túneis onde os cientistas trabalham carecem de eletricidade ou recepção de celular. A única maneira de alcançá-los é liberando gás fedorento, que é o gás natural com níveis não tóxicos do produto químico etil mercaptano. Existem outras maneiras de a instalação alertar as pessoas - alarmes, e-mails e mensagens de texto - mas o gás fedorento adiciona um nível extra de segurança engenhoso. Mesmo se você não soubesse que era para desencadear uma evacuação, você estaria desesperado para sair.

O gás fedorento significa que o trabalho deve terminar por hoje. O Cage faz apenas uma viagem de volta à tarde. O de hoje terá que ser cedo. Os cientistas se aglomeram no interior e são levados de volta à superfície.

Quando o detector de matéria escura da SURF torna-se operacional, suas centenas de sensores irão coletar milhões de dados a cada segundo, sete dias por semana, 24 horas por dia, pelos próximos cinco anos. Os cientistas vão monitorar os resultados em seus computadores nas universidades.

Se um WIMP for descoberto, nenhum alarme soará, nenhum sino tocará. Os pesquisadores simplesmente notarão um agrupamento de pontos em um gráfico de dispersão. Os resultados serão analisados, verificado, verificado duas vezes e revisado por alguns dos céticos mais obstinados do projeto. Se tudo der certo, nossa compreensão do universo será transformada para sempre.

Ray Davis, que fez seu trabalho nas profundezas do mesmo túnel que agora abriga o SURF, acabou ganhando o Prêmio Nobel de Física. Se Penning e seus colegas tiverem sucesso em seus esforços, eles poderiam encontrar o mesmo ouro.

As operações SURF estão suspensas devido à pandemia COVID-19. Os cientistas esperam que o experimento seja reiniciado no final deste verão.