בלב הר איטלקי, מדענים בונים מכונה. עמוק במכרה זהב לשעבר, תחוב בגבעות השחורות של דרום דקוטה, צוות אחר עושה את אותו הדבר.

הם מחפשים אות: ניצוץ של אור ואלקטרונים חופשיים. עדות לחומר אפל.

זה מעולם לא זוהה במעבדה. אבל מדענים מאמינים שזה בשפע יותר מחומר "רגיל". הרבה יותר. כל מה שעשוי מאטומים - המכונה חומר בריוני, החומר ממנו אנו עשויים - נחשב שמהווה פחות מ-5% מהיקום. החומר האפל מהווה עוד 25 אחוז. השאר הוא אנרגיה אפלה, כוח מסתורי הדוחה את כוח הכבידה ומסביר מדוע התפשטות היקום מואצת.

אישור שקיים חומר אפל תשנה את ההבנה שלנו לגבי אבני הבניין הבסיסיות של היקום שלנו ותספק רמזים חיוניים לגבי איך היקום נולד וכיצד הוא ישתנה. ועד 2021, שתי מכונות חדשות מתוכננות להצטרף לציד.

"יש כמה פעמים בהיסטוריה של בני האדם שמדענים נתקלו במשהו כל כך פורץ דרך, כל כך משנה את היקום, ולמשך כמה דקות, הם היחידים שיודעים על זה", אמר אנדרו רנשאו, עוזר פרופסור באוניברסיטת יוסטון. "להיות חלק ממשהו כזה, זה יהיה דבר של פעם בחיים".

Renshaw הוא חלק משיתוף פעולה שנקרא פרויקט DarkSide. הוא בונה גלאי חומר אפל, DarkSide-20k, במעבדה התת-קרקעית הגדולה בעולם, הממוקמת מתחת להר גראן סאסו כ-75 מיילים דרומית לרומא. בקרבת מקום, בעיר ל'אקילה, הוא אמר שזה לא נדיר שמדענים ומהנדסים מזהים זה את זה ברחוב או בבתי קפה.

ברחבי העולם, במרחק של כשעה מהר ראשמור, נבנה גלאי LUX-ZEPLIN, או LZ, במתקן המחקר התת קרקעי של סנפורד בדרום דקוטה. חוקרים ניגשים למעבדה על ידי רכיבה על כלוב במורד פיר מכרה. הם צריכים לחבוש כובעים קשיחים ולשאת מכשיר נשימה הנקרא מציל עצמי, למקרה שתפרוץ שריפה.

"זה הימור בטוח מאוד שקיים משהו כמו חומר אפל", אמר קרטר הול, פרופסור חבר לפיזיקה באוניברסיטת מרילנד ודובר פרויקט LZ. "יש לי מעט מאוד ספק לגבי זה."

אבל הנה אחת הבעיות העיקריות בפרויקטים הענקיים האלה: מעולם לא זיהינו חלקיקי חומר אפל, אז למה מדענים כל כך בטוחים שהם נמצאים בחוץ?

ראשית, בואו נדבר על אייזק ניוטון. הוא חשב על כוח המשיכה ככוח הפועל בין עצמים. באמצעות הנוסחאות שלו, מדענים יכולים לשרטט את מסלול כדור הארץ והירח. אבל המתמטיקה התקלקלה ליד כוח המשיכה האינטנסיבי של חור שחור. ואז הגיע אלברט איינשטיין. בתורת היחסות הכללית שלו, במקום כוח, כוח הכבידה הוא תכונה אינהרנטית של מרחב וזמן שיכולה להתעוות על ידי עצמים מסיביים. (מבולבל? דמיינו כדורמכבידה על סדין(נפתח בלשונית חדשה).)

אבל בקנה מידה גדול, גם המתמטיקה של איינשטיין התקלקלה. בשנות ה-70, האסטרופיזיקאית ורה רובין מצאה שהכוכבים בקצוות של גלקסיות ספירליות נעים באותה מהירות כמו אלה הקרובים לאמצע.

בקנה מידה קטן יותר, כוח הכבידה לא עובד כך. כוכב הלכת הראשון במערכת השמש, מרקורי, רוכסן את השמש במהירות גבוהה בהרבה מכוכב הלכת השמיני, נפטון. כוכבים המקיפים את מרכז גלקסיה צריכים לעשות את אותו הדבר. לכן, חייב להיות חומר נוסף, בלתי נראה, בשולי הגלקסיות המושך בכוכבים: חומר אפל.

כאשר אתה מכווץ את המספרים, בהתבסס על תנועת כוכבים וגלקסיות רחוקות, חומר אפל אמור להתקיים. אבל מעולם לא ראינו עדויות לחלקיקי חומר אפל.

הנה איך זה יכול להשתנות. DarkSide-20k ישתמש בארגון נוזלי, LZ ישתמש בקסנון נוזלי, אבל הרעיון הוא בעצם זהה: לחכות שחלקיק חומר אפל יפגע בגרעין של אטום במיכל מלא בנוזל. (ארגון וקסנון שניהם גזים אצילים, המשמשים לעתים קרובות בניסויים מדעיים מכיוון שהם מאוד יציבים. זה מקטין את הסבירות שגורם לא רצוי יעורר תגובה).

שני הגלאים ישתמשו בחיישנים כדי לחפש את האור שנוצר ואת האלקטרונים המשתחררים כאשר חלקיק חומר אפל מתנגש באטום.

"דמיין את הגרעין ככדור ביליארד ופתאום הוא נחבט במשהו," אמר הול. "אנחנו לא יכולים לראות את הדבר שחבט בו ישירות, אבל אנחנו יכולים לראות כדור ביליארד נרתע".

מדענים חיפשו את הראיות הללו במשך שנים. DarkSide-20k ו-LZ הם גרסאות גדולות ומתקדמות יותר של גלאים בשם DarkSide-50 ו-LUX. (זה האחרון הפסיק לפעול ב-2016.) יש גם אחרים. גשושית ווקונג של סין והספקטרומטר המגנטי האלפא בתחנת החלל הבינלאומית חיפשו שניהם סימנים של חומר אפל בחלל.

כולם נועדו לחפש WIMPS (חלקיקים מאסיביים בעלי אינטראקציה חלשה), חלקיקים תיאורטיים שהם הרבה יותר גדולים וכבדים מחלקיקים של חומר רגיל. גלאים אחרים - כמו ניסוי החומר האפל של Axion (ADMX) באוניברסיטת וושינגטון - מחפשים אקסונים בעלי מסה נמוכה, עוד מועמד חזק לחומר אפל.

עד כה, מרק האלפבית העצום של ניסויי החומר האפל - אחרים כוללים ArDM, DEAP, DARWIN, XMASS ו-PICASSO - עלה בידיים ריקות, למרות שנים של כותרות היפרבוליות. יש פיזיקאים שחושבים שזה לא קיים בכלל, ובמקום זאת הציעומודלים חלופיים של כוח הכבידה(נפתח בלשונית חדשה).

יצרנו חומרים אחרים כדי להתאים להבנתנו המוגבלת של היקום בעבר. במאה ה-18, מדענים האמינו שגלי אור נעו על פני החלל על "אתר" קוסמי. כמובן, הכלים והידע שלנו בפיזיקה ואסטרונומיה הרבה יותר מתקדמים כעת. אבל עדיין יתכן שאנחנו יודעים כל כך מעט על חומר אפל, שאנחנו מחפשים אותו בצורה שגויה לחלוטין.

לעת עתה, החוקרים ממשיכים לבנות גלאים גדולים ורגישים יותר, אבל זו משימה לא פשוטה.

חלקיקים שאינם חומר אפל יכולים להתנגש באטומי ארגון או קסנון ולעורר "אירועי שווא". לכן DarkSide-20k ו-LZ בנויים מתחת לאדמה - כדי להגן עליהם מפני קרניים קוסמיות. אפילו עמוק מתחת לסלע מוצק, הם חשופים לקרינה של ראדון וניוטרונים חופשיים, שמרחפים כמעט בכל מקום.

טכנולוגיה חדשה אמורה לעזור לחוקרים לחסל את רעשי הרקע. LZ יהיה עטוף בגלאי שני המוקדש כולו לחסימה וסימון נויטרונים חופשיים. DarkSide-20k יצויד בחיישני צילום חדשים שלא פולטים כל כך הרבה קרינה.

שתי המכונות יקבלו גם תוספת לגודל. לזיהוי חומר אפל, גדול יותר עדיף, פשוט כי יש סיכוי גבוה יותר שיתרחשו התנגשויות אקראיות אם יש עוד חומר לחומר אפל להתנגש בו.

DarkSide-20k יהיה גדול פי 10 מ-DarkSide-50, מה שיאפשר לו להחזיק פי 400 ארגון. LZ יחזיק פי 25 יותר קסנון מ-LUX. למרבה הצער, כל הנוזל הזה אינו זול. לְפִיחוטי(נפתח בלשונית חדשה), המחיר של בקבוק קסנון בודד עומד בממוצע על 100,000 דולר. גלאי LZ יצטרך 200 מהם.

כרגע, זה השקט שלפני הסערה. בקרוב, הבנייה תתגבר, וחוקרים מרחבי העולם יטוסו בקביעות לאיטליה ולדרום דקוטה.

אחר כך הם יפעילו את המכונות, יחזרו למשרדיהם ויחכו שהנתונים ייכנסו. יש סיכוי שהם עדיין לא ימצאו כלום. אבל זה לא בהכרח דבר רע.

"אני חושב שיש נטייה אנושית טבעית לרצות לצפות במשהו", אמר הול, אבל כל פרויקט שלא מוצא משהו גם שולל משהו, ומפנה את הדרך לצוות הבא לגלות תגלית משנה יקום.

מציאת עדויות לחומר אפל תהיה מרגשת להפליא, הדגיש. אם מספר פרויקטים המשתמשים בחומרים שונים ימצאו ראיות, זה יהיה אפילו טוב יותר. היעדר תגלית, לעומת זאת, עדיין ימשוך את התחום קדימה.

כפי שניסח זאת הול, "זו, בדרכה שלו, תהיה תוצאה עמוקה."