物理学家告诉我，将他们降低到矿井竖井下 4,850 英尺的地下物理实验室的电梯不叫电梯。它被称为“笼子”。它每天早上 7:30 准时下降——每天都在同一时间离开地面——而且不会等待迟到者。
我准时到达，并准备与一群科学家一起登机。我们看起来一模一样：穿着饰有反光带的工作服、钢头靴、紧急呼吸面罩和夹在腰带上并环绕肩膀的灯。
操作员打开黄色大门，引导我们进去，然后关上笼子。很快它开始以每分钟 500 英尺的速度颠簸下降。操作员的头灯提供了唯一的光线，沿着井筒的木材轮廓移动。我们下降了 10 分钟，默默地想象着头顶世界的重量不断增加。顺着井筒壁滴落的水滴发出了令人不安的声响。
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这个地方——南达科他州利德市的桑福德地下研究设施 (SURF)——进行着只能在地球表面深处进行的实验。这些实验被埋藏在黑山数千英尺厚的坚固岩石之下，免受大部分沐浴地球表面的背景辐射的影响。在这里，科学家们可以更轻松地探测到各种难以捉摸的宇宙信使，否则这些信使将被地表的声音和喧嚣所淹没——来自我们太阳和遥远的爆炸恒星的中微子，或者被认为构成神秘暗物质的其他假设粒子，暗物质就像一只看不见的手，引导着星系的成长。这些粒子非常微弱，以至于它们在地表被淹没：在那里寻找它们有点像寻找从太阳表面射出的聚光灯。但这些正是科学家们必须研究的粒子，以了解我们的宇宙是如何形成的。因此，从地球深处，即使是最近的恒星也无法照耀的地方，他们正在瞥见宇宙最古老、最遥远和最灾难性的方面。
这个地方并非一直以科学为中心：100 多年来，其迷宫般的深层腔室和滴水、泥土地面的隧道是一个名为霍姆斯特克的金矿。今天，在剥离了大部分贵金属矿石后，该设施已成为研究人员名副其实的金矿，成为美国首屈一指的地下实验室。今年秋天，SURF 将推出一项新的物理学前沿实验：CASPAR，它模拟了氢原子和其他轻元素聚变释放能量的恒星核心条件，副产品是形成小行星、行星、矿山和哺乳动物所需的更重要的元素。今年，物理学家们也开始为一项名为 LUX–ZEPLIN (LZ) 的实验建造设备，该实验将尝试最早在 2020 年探测到暗物质粒子。
这都是全球（以及内部）正在展开的趋势的一部分，因为科学家们在明尼苏达州、日本、意大利、中国和芬兰等地建造或改造地下基础设施，以便从地下深处窥探宇宙，寻求了解宇宙为何如此——也许还有人类是如何来到这里的。
在笼子里，乘客们将头靠在墙上，闭上眼睛，在工作前享受片刻宁静。当电梯猛地停下来，门打开，通向一个圆形的岩石走廊时，他们抬起头，走廊上覆盖着网，以防止岩石滑落和塌方。光线是黄色的，光谱与太阳光有些相似。
“这不过是天堂里的又一天，”一位乘客在操作员将我们释放到这个陌生的环境中时说道。我们远离笼子，我们通往地面的唯一通道，走向奇怪的科学——就像在没有阳光的情况下生存的极端地下生物一样——只能在这里发生。
矿井中的宇宙信使
在我们前往第一个目的地 LZ 暗物质实验的途中，我们穿过矿井的一个区域，称为戴维斯实验室。它的名字来源于已故物理学家雷·戴维斯，他于 1960 年代带着一个科学实验的想法访问了利德镇。那时，利德和隔壁的死木镇看起来和现在很像，有一层赌场和一个酒吧，上面挂着一个牌子，上面写着“第 10 号历史遗址酒吧，野比尔被枪杀的地方”。戴维斯曾询问霍姆斯特克矿的所有者，他是否可以使用一小块广阔的空间来搜索太阳中微子。
中微子是几乎没有质量且不带电荷的粒子。它们移动速度几乎与光速一样快。它们几乎不受重力影响，并且对电磁场免疫。事实上，它们几乎不与任何东西相互作用——中微子可能像摩托车穿梭于交通拥堵的车道一样，直接穿过宇宙中任何有形物体的原子。物理学家和天文学家喜欢中微子，因为它们的宇宙羞涩使它们保持原始状态。每一个都带有印记，就像胎记一样，来自宇宙中释放它们的爆炸和放射性衰变。通过研究它们，科学家们可以了解超新星的内部运作、大爆炸后的最初时刻以及恒星沸腾的核心——包括我们的太阳，这正是戴维斯想要研究的。在 1960 年代，理论家们已经预测中微子应该存在，但还没有人在物理世界中发现它们。
矿业公司决定让戴维斯尝试成为第一个做到这一点的人。
戴维斯在霍姆斯特克“4850 水平面”（地面以下 4,850 英尺的“楼层”）辛勤工作，建造了一个中微子探测器，该探测器于 1967 年投入使用。在接下来的四分之一世纪里，他提取了他想要的东西：真正的中微子，而不仅仅是纸上谈兵的理论中微子。作为第一个直接探测到这些粒子——并由此证明它们确实存在——的人，戴维斯获得了 2002 年诺贝尔奖。他是最早表明，有时，为了最好地与深空连接，人类必须离它更远，深入地球内部的人之一。
在戴维斯实验的最初几十年里，霍姆斯特克矿继续向地面输送稳定的黄金流，在其生命周期内最终生产了近 300 万磅的贵金属——是西半球任何矿山中最多的。但在 2002 年，当每盎司的价格跌至矿山无法盈利的程度时，巴里克黄金公司关闭了它，后来将该设施捐赠给了南达科他州。
该州——在亿万富翁 T. 丹尼·桑福德和美国能源部的资助下——扩展了戴维斯的遗产，并将整个运营转变为物理实验室：今天的 SURF，其核心是最初的戴维斯园区。
安营扎寨
当我们进入戴维斯园区时，我们把弹性脚踝套套在鞋子上，并获赠一张贴纸。“4850 英尺处总是阳光明媚，”上面写着。证据不支持这个结论。
我们的导游马克·汉哈特没有这样的贴纸，但他的工作服上臂上确实有一个捉鬼敢死队的徽章。他后来将 LZ 将要寻找的暗物质称为“幽灵粒子”。那么，他就是他的徽章所指的克星。他是个快乐的家伙，脸上总是挂着笑容——那种眼睛和嘴巴都笑的笑容——笑容总是出现在他的胡须和短发之间。作为一名实验支持科学家，他也是一位名叫吉姆·汉哈特的霍姆斯特克前矿工的儿子。当霍姆斯特克停止采矿时，吉姆被解雇了——但在 SURF 接管后，他又找到了一份地下工作，于 2008 年成为技术支持主管。在父亲最近去世之前的几年里，父子俩曾在这个地下空间一起辛勤工作——这在利德周围是一个常见的故事。镇上的每个人似乎都认识或与在实验室工作的人有血缘关系，因为 SURF 重新雇佣了许多矿工，并与当地公司签订了爆破和建筑工程合同。因此，汉哈特的日常工作是继承双重遗产——一个是家庭的，一个是科学的。“这里已经出过一位诺贝尔奖得主，”汉哈特一边说，一边示意我们跟着他沿着走廊走。“也许还会有更多。”
汉哈特沿着平台走向高挑的房间，SURF 员工目前正在为 LUX-ZEPLIN 做准备。大部分空间属于一个巨大的空水箱——高度是我的三倍半，直径是我的四倍半。汉哈特称之为“巨型科学桶”。它曾经装满 72,000 加仑的水，并屏蔽了一个名为 LUX 的实验，该实验从 2014 年 10 月运行到 2016 年 5 月。当时，LUX 是世界上最灵敏的暗物质搜寻器——比地球上任何其他实验都更能探测到宇宙中最神秘的粒子。
数十年的望远镜观测表明，宇宙充满了看不见的物质，这些物质既不发射也不反射光，但其重量却超过了所有可见的恒星、气体和星系的总和。这种暗物质显然将其中一些星系塑造成螺旋形，甚至可能是最初使它们的物质聚集在一起形成星系的原因。没有人确切知道暗物质是由什么构成的，但大多数物理学家都认为它可能由至少一种未被发现的亚原子粒子组成。但正如在远程摄像机上拍到或在陷阱中抓住大脚野人之前，人们无法肯定地说出大脚野人的样子一样，科学家们在捕获到一些暗物质之前，也无法说出暗物质是什么。
LUX 试图做到这一点。在其近一年的运行期间，一个 350 公斤的液氙罐像俄罗斯套娃一样嵌套在巨大的水箱内，水箱将氙气与普通宇宙射线的无畏背景隔离开来，这些宇宙射线设法穿透到如此深的地下。氙气比固体铝更致密，它充满希望地等待着假设的暗物质粒子穿过数千英尺厚的地球，最终到达南达科他州，结束它们的星际——甚至星系际——旅程。如果一个暗物质粒子撞击一个氙原子，碰撞会产生一道闪光。然后，电子将从碰撞中旋转出来，产生第二次闪光。排列在水箱内部的探测器将接收到这些闪光，并将信号发送回科学家，科学家可以回溯反应，以研究最初引发烟花的粒子。
2016 年 10 月，SURF 科学家开始拆卸 LUX，并将氙气像矿工一样运送到地面。该装置一无所获。暗物质仍然名副其实。
对于顽强的物理学家来说，这仅仅意味着他们需要一个更大、更好的桶来收集暗物质：LUX-ZEPLIN。当它在 2020 年首次亮相时，这项后续实验仍将是世界上最好的：灵敏度是其前身的 70 倍，这在很大程度上归功于其 10 吨液氙——而 LUX First 的液氙只有可怜的三分之一吨。这项科学合作涉及来自美国、英国、葡萄牙、俄罗斯和韩国的 250 名科学家，于 2 月启动建设。
汉哈特将头伸进空水箱的银色圆柱体中，低声说“喂——”。微小的声音似乎无休止地回荡，在水箱壁上反弹，并将自己抛回我们身上，作为他存在的证据。
深层物理学
SURF 占据着世界上最深的科学空间之一，比明尼苏达州苏丹地下实验室深两倍以上，后者位于一个废弃的铁矿中。超级神冈实验室专注于像戴维斯那样研究中微子，它位于日本的茂住锌矿中，地下 3,300 英尺。不过，世界上最深的物理设施是中国锦屏实验室，它利用水电站大坝下方的隧道。它有一个暗物质探测器和一个名为 PandaX 的中微子实验。像这些实验室一样，利用现有的基础设施意味着科学家们可以将精力集中在建造实验设备上，而不是爆破岩石。这也意味着他们可以依靠当地工人，这些工人已经知道如何帮助维护可能发生洪水、坍塌或充满有毒气体的蜿蜒洞穴。意大利是第一个为进行研究而专门完成地下实验室格朗萨索的国家。他们花了 30 年时间。
这些遥远的设施都在竞相成为第一个在难以捉摸的暗物质和幽灵般的中微子方面取得突破性发现的设施。但为了使最终的科学成果以最佳状态出现，这些设施需要彼此——以及彼此的数据——才能比它们独自管理时更好、更快、更强大。它们共同形成了一个生态系统，支持在地面上无法进行的科学研究。
一颗小星星诞生了
自诞生以来，SURF 一直在戴维斯园区之外扩展到矿井的其他部分——矿井有很多部分。新的“园区”非常遥远，以至于为了参观它，我们乘坐铁路车，在黑暗的轨道上隆隆行驶，穿过像老式镐工一样的巨大空间。凉爽的空气仍然从我们身边吹过，不知何故，从几乎一英里高的地面世界流入这个阴间领域。走廊灯以间隔闪烁，发光，然后缓慢地后退，呈频闪状，直到我们到达被称为罗斯园区的 CASPAR 实验。CASPAR 是一台粒子加速器——但它的大小可以放在普通房间里。一系列管子，空气被真空泵抽走，像蛇一样蜿蜒穿过桌子，桌子一直延伸到房间的另一边，然后弯曲回到更远的开放空间。从一端，一束粒子流穿过管子，其路径被磁铁弯曲。另一端有一个目标。当光束击中靶心时，碰撞会触发恒星内部发生的聚变过程，即小原子结合形成更大的原子。这些过程发生在整个宇宙的恒星核心深处，并且基本上创造了所有比氦重的元素（天文学家称之为“金属”的元素，即使它们不在矿井中）。
所有这些“金属”都构成了你、我、这些管子、这个空腔、SURF、地下实验室的生态系统、地球以及你可能（或可能不）关心的所有事物。但科学家们实际上并不了解恒星如何聚变元素的细节。而且由于他们无法飞入恒星的中心，他们转而向地球中心前进。在这里，屏蔽了杂散辐射和轰击地球表面的粒子，他们可以更清楚地看到来自他们自己实验的粒子和辐射，而不是来自太阳或太空的粒子和辐射。
当我们到达时，一群研究生和三位教授正围在几台电脑旁，试图使光束尽可能地精确。小型加速器本身就在他们旁边的一扇门的另一边。它看起来像一个儿童化学套装，只是少了彩色液体。
来自圣母大学的物理学家迈克尔·维舍从同事身边走开，告诉我他们正在做什么。他说话很轻声细语，也许是尽量不打扰他们。不过，他不必担心：他们的注意力像实验的光束一样集中。
那是因为今天是这里的重要日子：维舍和其他来自圣母大学和南达科他矿业学院的人员，刚刚开始将光束发射到他们的目标。很快，他们将制造出自己的微型恒星，比大多数人去过的外太空还要远。他们的第一个实验将检查一种名为“氦燃烧”的过程的细节。在燃烧的第一阶段，当三个氦核炼金术般地结合成一个碳时，会发生重要的相互作用——碳是根据定义使分子“有机”的原子。在实际的恒星中，这只发生在恒星变老时：在像太阳这样的恒星燃烧掉核心的大部分氢燃料并演变成红巨星之后，它们才开始聚变氦。但在 SURF，在一个浴室大小的装置中，CASPAR 可以在科学家认为合适的任何一天了解氦燃烧，从而了解如何一次又一次地创造出构成我们的元素——在倒转我们自身时，快进太阳的时钟。“这不仅仅是物理学，”汉哈特说，他站在那里注视着团队的工作，“这是哲学。”换句话说，它处理的是大问题：我们究竟是如何来到这里的？从宇宙的角度来看，为什么会这样？这些问题有科学的答案，但也有存在的意义，科学已经进入了以前只被宗教占据的领域。
维舍告诉我，欧洲研究人员在格朗萨索进行的一项名为 LUNA–MV 的类似项目的工作落后了两年。中国正在建造自己的 JUNA。但 CASPAR 将（很快）开始率先“烹饪”。在 CASPAR 团队获得一些自己的成果后，他们计划与其中一些其他团队合并数据，并将允许科学家来到这个洞穴，使用 CASPAR 设备进行他们自己的实验。在不久的将来——当 CASPAR 向合作者开放时，当 LZ 开始搜索时——SURF 将像金矿的鼎盛时期一样充满活力和熙熙攘攘，那时只有一个中微子实验蜷缩在一个角落里。
一位专注于计算机的科学家说：“我们有 100% 的光束传输！”然后一位面带微笑的研究生——来自南达科他矿业学院的托马斯·卡德莱切克——转向我和维舍。他说他喜欢这里。他的祖父在霍姆斯特克矿时期是一名矿工。说完，他迅速转过身，又回去工作了，靠在电子设备架上。
我后来发现他的祖父死在了霍姆斯特克矿。正如一代恒星为下一代恒星提供燃料一样——南达科他州之前的地下世代激励着后来的世代。“他们认同这座矿山，”维舍解释说。“这太不可思议了。”