科學家計劃用裝滿液態氙和硅鍺晶體的裝置來進行實驗尋找暗物質粒子
圖解：裝滿10噸液態氙的暗物質探測器。
2020年春天，在南達科他州地下一英里處的一個廢棄金礦內，10噸液態氙氣將被注探測器容器中，科學家們希望通過這樣的裝置能探測到歷史上無法探測到據推算佔宇宙總質量85%以上的一種神秘物質——暗物質。這個實驗的項目主管說“我們知道他的存在，但不知道它是什麼，作為一個例子，我們不知道它的質量是多少。”
這個實驗被命名為LZ實驗，是由美國能源部和國家科學基金會資助的旨在直接探測暗物質的實驗。因為曾經的實驗均以失敗告終，所以這次他們使用前所未有的規模和更加靈敏的系統來應對這項挑戰。
1930年，天文學家弗裡茨觀測聚集在一起的超過1000個星系的運動速度,分析計算出可見物質的引力沒有強大到足以阻止星系集群飛散開來。 他認為一定有看不到的物質貢獻了大量的大部分的引力穩固了星系集群。
四十年後,天文學家維拉·魯賓和肯特福特通過研究螺旋星系內恆星的運動發現了暗物質的證據。 他們發現這些星系外緣的恆星移動速度與中心的一樣快。這可能由於暗物質提供一個額外的引力。
最近，一張兩個碰撞星系的照片，綽號“子彈團”，顯示了一種引力透鏡效應光，由於巨大的引力而彎曲，這不能單靠可見物質來解釋。科學家們說，這些觀察有力地指出了暗物質的存在，但暗物質究竟是由什麼構成的仍然是個謎。
圖釋：子彈星系團，粉紅色描繪了熱氣體發射的X射線，藍色描繪了暗物質的分佈
科學家庫什曼（另一個暗物質探測實驗的發言人）認為暗物質自宇宙大爆炸以來一直影響著整個宇宙的演化過程，如果沒有暗物質，我們就不會看到今天的星系團。
對於暗物質的探測，首先是間接探測。它試圖觀察來自宇宙深處的信號，如伽馬射線，這些信號可能來自暗物質粒子的湮滅或衰變。科學家們還試圖通過在大型強子對撞機中將兩個高能質子相互撞擊來製造暗物質粒子，模擬所有這些粒子形成時可能發生的大爆炸。而LZ實驗則是直接探測。希望暗物質粒子偶爾能通過微弱的力與正常物質相互作用，使它們能夠被極其靈敏的探測器發現。由於暗物質粒子的特性是完全未知的，所以研究人員試圖直接探測暗物質，基本上是對探測器應該尋找的質量進行有根據的猜測。
圖釋：兩個直接探測暗物質的實驗
超級DMS計劃在2020年底開始其研究，探測最輕的弱相互作用的質量粒子（WIMP）質量，從一個質子質量的一小部分到十個質子質量不等。位於安大略省一個鎳礦地下6800英尺的地方，最初的實驗將使用四個塔，每個塔包含六個由硅鍺晶體制成的探測器，試圖探測暗物質。隨著實驗在未來十年的擴展，該設施預計將容納30多座塔樓。
如果WIMP擊中其中一個探測器，碰撞將（理論上）干擾整個晶格中的電子，產生更多的振動並放大最初的碰撞。放大後的信號將被傳感器接收，從而提醒研究人員發生碰撞。即使是物理學家稱之為“噪音”的最小干擾，也可能通過觸發虛假信號來干擾實驗。因此，研究人員必須採取極端的預防措施，例如將探測器冷卻到零下450華氏度（接近絕對零度）以下，以避免熱振動，並建立屏蔽層，以阻止宇宙輻射粒子從太空撞擊地球的干擾。
庫什曼解釋說，在未來十年裡，超級DMS的目標是變得非常敏感，甚至可以探測到中微子，這種電中性粒子具有幾乎難以理解的小質量，是由放射性衰變（如太陽內部的核反應）形成的。屆時，由於中微子將比任何其他類型的干擾更像暗物質粒子，實驗將在屏蔽背景信號方面遇到前所未有的挑戰。
上圖：在SNOBOX中探測器包將被冷卻到幾乎絕對零度，底部一個由硅和鍺晶體制成的探測器
LZ的目標是質量較重的粒子，其質量介於數個質子到數萬個質子之間。實驗由10噸液態氙氣（約佔世界年供應量的四分之一）組成，周圍環繞著一個鈦制容器，將氙氣放在第二個盛有吸收伽馬射線液體的容器內，所有這些都放在另一個盛有7萬加侖水的容器內。
Gilchriese說：“希望暗物質粒子與氙相互作用時，既產生光又產生電荷。研究人員檢測到最初的光脈衝，然後電荷向上漂移超過一米，在那裡由500個傳感器檢測到。來自這兩個信號的信息將使研究人員能夠計算出初始碰撞的能量和位置。確定碰撞發生的位置至關重要，因為這將揭示信號是由容器外部的干擾噪聲引起的，還是由純氙浴中心的碰撞引起的，研究人員認為只有暗物質粒子才能到達。
美國以外的其他組織也在競相使用液態氙氣尋找暗物質。一旦LZ在2020年中期開啟，來自世界各地的科學家可能會屏住呼吸，期待探測到的信號。
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