在一个灰蒙蒙的隆冬拂晓，十多名戴着安全帽的科学家和技术人员聚集在苏丹矿的入口外。他们穿着厚重的大衣，手里拎着午餐袋，满怀期待地走进一个有80年历史的提升机的敞开式吊笼。一台老旧的发动机发出轰鸣声，将一个钢制吊舱沿着矿井2341英尺深的竖井缓缓下降。旅程耗时三分钟，但乘客们话不多。相反，他们漫不经心地听着冰冷的空气向上呼啸而过，吊笼深入明尼苏达州东北部的铁矿区腹地，远离了被雪堆覆盖的景象，进入了一个黑暗的世界。
这一幕与一个多世纪前矿井里的平常景象如出一辙。苏丹矿于1884年开采，位于世界上最富有的铁矿床之一——硬赤铁矿之上，纯度约为65%。矿石质量使得苏丹矿一直运营到1962年，当时美国钢铁公司决定该矿井太深，运营成本过高。新技术使得在其他地方加工低质量矿石变得更便宜。但正是其巨大的深度使其作为商业企业被宣判终结，最近却赋予了它新的生命，成为一个研究前哨站——苏丹地下实验室。半英里厚的上覆岩层形成了一个地球表面任何地方都无法企及的宁静屏障。物理学家们现在在这里深入地下，说来也怪，是为了开采天堂。
吊舱到达27层——也就是最底层——打开后便是一个从两座高天花板洞穴中开凿出来的最先进的粒子物理实验室。这里是低温暗物质搜索项目（Cryogenic Dark Matter Search）的所在地，不可避免地缩写为CDMS。
CDMS的目标是寻找另一个物理学缩写：WIMP，即弱相互作用大质量粒子。这些神秘的、假想的粒子是寻找暗物质的主要嫌疑对象，暗物质被认为是构成宇宙大部分物质的看不见的“某种东西”。普通的原子物质似乎就是一切。毕竟，我们谈论的是所有的恒星、行星、彗星、卫星、蟹状星云、黑洞、褐矮星、太平洋、你、我、罐头汤，以及家里的狗——所有的一切。然而，七十年的天文学研究表明，我们遗漏了全貌。暗物质的含量是所谓普通物质的四倍，而我们对其知之甚少。
今天，暗物质的存在已几乎毋庸置疑。“起初，暗示存在肉眼看不见的东西非常困难，”CDMS项目联合负责人、加州大学伯克利分校天体物理学家Bernard Sadoulet说，“现代测量技术已经证实了这些观测结果，但问题是如何探测到它。”谁能发现一些，谁就能几乎锁定诺贝尔奖。真正发现样本……嗯……那是另一回事。这就是吸引研究人员进入明尼苏达州一座废弃铁矿深处的原因，他们在这里长时间工作，这无疑是所有物理学中最乏味却可能最有价值的工作之一。
一扇厚重的金属门通往CDMS实验室，该实验室建在两座相连的洞穴中，这些洞穴是从坚硬的岩石中开凿出来的，每个大约100码长，45英尺宽，45英尺高。整体效果是詹姆斯·邦德式现代风格——一个位于荒野中的高科技工作室，配备了奇异的机械和电子设备，数十盏荧光灯的明亮光线，以及天花板上的起重机，用于将重型部件从一个地方运到另一个地方。墙壁上涂有喷射混凝土，使其看起来有点像纸浆。不过，墙壁不渗汗，空气干燥到会让人嘴唇开裂。这里没有自助餐厅，这解释了午餐袋：所有在这里的人都将一直待到下午3:30，届时两次提升机行程中的第一次会将人们带回地面。
这个空间可能很宽敞，但以大科学的标准来看，CDMS无疑是一个适度的项目。它有来自12所大学和美国能源部费米国家加速器实验室（Fermilab）的约46名科学家参与。费米实验室的项目经理丹·鲍尔（Dan Bauer）表示，该项目的设置和运营成本约为3000万美元，与欧洲人投入80亿美元建造新的粒子加速器——大型强子对撞机——相比，这笔钱少得可怜。CDMS的当前版本于去年10月上线，将在未来两年内继续悄然收集数据。
简单来说，CDMS实验不过是一个圆柱形的冰柜，覆盖着屏蔽层，并放置在洁净室中，以防止自然发生的放射性污染。隐藏在内部的是探测器，旨在追踪对我们来说不可见但却在宇宙中每寸空间游荡的粒子。探测器本身也出乎意料地简单，是大约曲棍球大小的锗盘，堆叠成五摞。实验的核心部分不比钢琴凳大。整个暗物质探测器经过绝缘层包裹，高约10英尺，看起来像一个超大的热水器。
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理论上，每秒有数百万个WIMP穿过探测器堆栈。这些暗物质粒子天生就很少与普通物质相互作用，但在极少数情况下，一个WIMP会以恰好合适的方式碰撞，从而显露其存在。锗与硅化学性质相似，是一个特别好的目标，因为它的原子核——由32个质子和38到44个中子组成——接近理论家所说的WIMP的最小尺寸限制。正如台球一样，如果主球（WIMP）和目标球（锗原子核）大小大致相同，被击中的物体反应会特别有效。
如果一个路过的WIMP直接撞击锗原子，原子核应该会振动，产生微量的热量。每个CDMS探测器都配备了敏感的铝和钨层，旨在记录这种微小的热信号。同时，这个暗粒子也应该会使锗原子中的一些电子松动，从而触发电荷，由电极记录下来。电荷与热量的比率会告诉研究人员该粒子是撞击了原子核（因此可能是一个WIMP），还是仅仅是一个流氓电子或某个熟悉的粒子在搅动原子邻域。
整个过程灵敏得超乎想象。这就是为什么探测器被放置在冰盒中，温度仅比绝对零度高70毫华氏度。要理解这有多冷，请记住，即使在深空，大爆炸的残余辐射也会使物体保持在相对温暖的、比绝对零度高4.86华氏度的温度，这使得CDMS探测器内部成为整个宇宙中最冷的地方之一。在这个温度下，锗晶体中的振动几乎停止，消除了可能干扰WIMP信号的颤动。“WIMP就像一颗小石子掉进池塘，”鲍尔说，“在大风天很难看到涟漪，所以你希望水尽可能平静。”
需要安静也解释了探测器周围的所有屏蔽：连续的聚乙烯和铅毯。铅——15吨重——阻挡了99.995%通常会使探测器过载的伽马射线。事实上，即使是普通铅也会产生自己的辐射。相反，探测器的大部分防弹衣是由一块来自2000年罗马沉船的古老铅制成的。金属中的放射性残留物需要几百年才能完全衰变，因此像CDMS这样的实验对古铅有着旺盛的需求。古铅每磅售价40美元，大约是普通铅现行价格的40倍。
随着数据以每天大约10,000个粒子探测的速度积累，团队中有一名物理学家24小时待命，他的工作是看管冰箱，确保没有任何故障，并监控实验，以期发现一个能最终证明WIMP确实存在的标志性事件。工作人员还每隔一天更换空的液氮和液氦瓶，这是一项令人紧张的工作，如果搞砸了，可能会导致低温剂的流失速度快于新瓶补充的速度。冰盒需要数周才能重新冷却。“我不会说它乏味；我们当然对大局感到兴奋，”鲍尔说。他承认“硬件方面的东西”也吸引了所有物理学家内心深处的积木玩具。然而，他承认这份工作可能令人疲惫。它承担着全部的指挥重担，却没有任何阶段性顿悟的承诺。为了放松心情和打发时间，工作人员在实验室地板上充气棕榈树的阴影下进行激烈的乒乓球比赛。
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根据早期的实验和2003年的初步运行，CDMS团队希望在未来两年内探测到6到15个WIMP。与此同时，工作人员也深知他们可能什么都找不到。WIMP仍然是一个理论结构——但目前，它们是物理学家对宇宙如何凝聚在一起的最佳猜测。
“我们所做的是高风险的，但这是一个很好的寻找地点，”斯坦福大学物理学家、团队负责人之一Blas Cabrera说，“当然，大自然选择别的东西总是可能的。”
暗物质的最初线索是在你能想象到的最远离苏丹矿深处的地方发现的：在距今约3.2亿光年远的后发星系团中。1933年，加州理工学院天体物理学家弗里茨·兹威基观察到星系团中外围星系运动如此之快，以至于整个星系团应该会解体。星系团中所有恒星的引力不足以将其束缚在一起，因此必须有其他东西在束缚星系团。它没有出现在照片中，甚至连剪影都没有，但必须有大量的这种神秘的暗物质——超过所有恒星质量的10倍——才能阻止后发星系团将星系散布到整个宇宙。
兹威基的解释在当时并不受欢迎。“科学家不喜欢看不见的东西，”CDMS的萨杜莱说。还有一个问题是兹威基本人，他以轻蔑的讽刺和恶毒的怒火闻名，疏远了学生和同事。据说他曾嘲笑威尔逊山天文台的天文学家是“球形混蛋”，因为他们从任何角度看都像混蛋。“弗里茨·兹威基领先于时代，”芝加哥大学天体物理学家、领先的暗物质研究员迈克尔·特纳说，“但他不善与人相处。”
尽管如此，没有人能够反驳或解决兹威基的“缺失物质”问题。当华盛顿卡内基研究所的天文学家维拉·鲁宾在1970年代表明物质缺失不仅存在于星系团中，而且也存在于单个星系中时，人们的兴趣便高涨起来。“今天，暗物质的证据并不缺乏，但那时却没有，”特纳说。“维拉·鲁宾确实提出了强有力的证据，那时人们才开始认真看待它。单个星系使问题离我们更近了。”
下一步是弄清楚暗物质是什么。科学家们唯一知道的是它既不发光也不吸收光。一些天文学家推测，也许它只是大量暗淡而熟悉的物体，比如极其微弱的红矮星或白矮星。大约在1980年，一个苏联研究团队声称，宇宙中无处不在的瞬时粒子中微子可能具有足够的质量来弥补物质缺失。也许这就是暗物质。
进一步的研究表明，中微子并非答案，但苏联的实验“改变了对话，”特纳说。科学家们开始将暗物质不仅视为宇宙学家的难题，也视为粒子物理学的问题。在1980年代，宇宙学家使用其他技术更精确地计算宇宙中物质的数量，这导致人们日益认识到，任何形式的原子都不足以提供所需的引力。无论暗物质是什么，它都不由恒星、气体或任何已知物体组成。
在1990年代后期，这张图景变得更加令人困惑，当时科学家们发现了另一种暗物质实体存在的证据，被称为暗能量，它似乎正在导致宇宙以不断加速的速度膨胀。幸运的是，一项名为威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的开创性太空任务通过首次准确描绘宇宙的总体构成，澄清了这一混乱。答案是出奇的奇怪。暗能量构成了宇宙的73%，暗物质占23%。原子物质——我们周围的一切以及天文学家所见的一切——仅占4%。
卡布雷拉将宇宙的构成比作一棵点亮的圣诞树。“灯是星星，”他说，但树——代表暗物质和暗能量——在灯后面看不见，没有人知道它是白松、云杉还是雪松。“所以我们面临一个大问题，”特纳说，“我们有一个非凡的论断——宇宙并非主要由星体物质构成。我们想知道它是由什么组成的。”
如今，宇宙学家确信答案在于物理理论，该理论预言了尚未被发现的基本粒子的存在，其中许多粒子具备暗物质的恰当属性。Sadoulet是在20世纪80年代中期读到一篇论文后对暗物质搜寻产生兴趣的，该论文提出这些粒子具有质量。他意识到，如果是这样，“我们可以通过靶核的弹性散射来探测它们。”“这是这场革命的第一部分。”第二篇论文提出这些粒子会具有非常慢的相互作用速率——换句话说，是弱相互作用。“然后一切都整合起来了，”他说：弱相互作用大质量粒子，即WIMP。
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那么WIMP到底是什么？在目前的物理模型中，这些粒子通过引力相互作用，但对其他力几乎没有反应——或者根本没有。除了WIMP之外，还有一些暗物质候选者，但它们都必须以类似缓慢的速度移动，才能产生天文学家从暗物质引力中推断出的那种团状分布。由于这些粒子很少与普通物质相互作用，它们必须是电中性的，因此对光、X射线或任何其他形式的电磁辐射都不可见。理论家们认为WIMP的质量是质子的40到1000倍。这些粒子云似乎在一个巨大的球体中包围着星系团，它们似乎在宇宙中畅通无阻地移动。每时每刻可能有数十亿个WIMP穿过你的身体，但由于它们很少撞击任何东西且不带电荷，它们不会提供任何关于其到来或离开的证据。它们之所以被称为“暗”，是有原因的。
WIMP之所以成为最吸引人的暗物质候选者，是因为它们的存在不仅能优雅地解决“缺失质量”问题，还能弥补粒子物理学标准模型中的一个缺陷。该模型描述了宇宙中的所有粒子和力，但未能充分解释质量理论。为了弥补这一点，理论家们引入了超对称性的概念，其中每个物质粒子（称为费米子）和每个力粒子（称为玻色子）都有大质量对应物，称为超伴侣。
在这个框架中，最轻的中性超伴侣粒子——质量至少是质子的50倍——是中性微子。粒子物理学家预测，大爆炸后残留的中性微子数量大致与预期的暗物质数量相符，使得中性微子成为主要的WIMP候选者。“在1980年代，你证明了暗物质确实存在，”特纳说。“然后你描述了可以解释标准模型中差异的粒子，然后你发现这些粒子具有作为暗物质的正确属性。这不可能是巧合。”
目前，全球约有10个科学团队聚集在地下实验室，试图捕捉WIMP。其中一个团队，位于罗马大学，甚至在2000年声称取得了成功，在物理学界引发了一阵短暂的喜悦——直到其他人无法证实这一结果。所有实验都依赖于相同的原理：在WIMP与原子核碰撞的罕见情况下探测它们。寻找WIMP是一场全球性竞争，而竞争的本质就是如此，一些其他物理学家认为他们已经想出了一个更好的WIMP捕获器。最有希望的是使用液态惰性气体（如氙和氩）的探测器，当WIMP撞击时，这些气体将发出闪光。
布朗大学的理查德·盖茨凯尔曾是CDMS团队成员，目前在意大利地下实验室参与液态气体实验XENON，他表示惰性气体相较于CDMS有几个优点。由于该实验不依赖于探测振动，XENON团队无需担心通过将目标原子冷却至接近绝对零度来使其安静。氙气在室温下是气体，在相对温和的-148°F下会变成液体。无需更低的温度。此外，作为一个单一的近乎球形的液体靶，氙系统比多个锗探测器具有小得多的表面积与体积比，因此不易受到噪声影响。最后，用液体扩大探测器尺寸，从而提高成功概率，要容易得多。“我们不仅能够达到，而且能够超越CDMS，”盖茨凯尔说，“你需要多种技术，以便互相验证结果。”
CDMS的研究人员不承认失败。“目前我们比其他人做得更好，”萨杜莱说，尽管他承认，“也许不会持续太久。目前，惰性液体探测器正紧追不舍。”苏丹也不会是CDMS团队暗物质搜索的终点。萨杜莱和他的团队已经计划建造更大的探测器，并将其安置得更深——在加拿大安大略省的萨德伯里中微子观测站，深度达6800英尺。
“每一次我们进入新阶段，我们都希望能找到WIMP，但直到去年，我们才真正增加了成功的机会，”萨杜莱说。如果CDMS发现了暗物质粒子，“将会掀起一股增加探测器质量的热潮，并与其他技术进行交叉验证，以确保它们是WIMP。”
即使只有几次探测事件——“也许五次，”萨杜莱建议——CDMS也应该能够估算出WIMP质量的下限，并了解相互作用速率，从而让我们首次瞥见宇宙暗物质的特性。最重要的是，一次探测将证明物理学家的暗物质理论是正确的。萨杜莱认为在未来几年内发生这种可能性很大。
然后一场新的狩猎将开始。通过建造更大的探测器来获得更多的撞击，研究人员将能够更好地表征WIMP。他们还将想知道暗物质粒子是如何穿过我们的行星和星系的。“你会想研究方向性，看看WIMP来自哪里，”萨杜莱说。
他承认，寻找暗物质的实际价值可能微乎其微。然而，哲学意义将是令人难以置信的。“如果你发现了一个，你会想发现更多，”萨杜莱说。“我非常想知道宇宙的大部分是由什么组成的。”
