科学家计划用装满液态氙和硅锗晶体的装置来进行实验寻找暗物质粒子
图解：装满10吨液态氙的暗物质探测器。
2020年春天，在南达科他州地下一英里处的一个废弃金矿内，10吨液态氙气将被注探测器容器中，科学家们希望通过这样的装置能探测到历史上无法探测到据推算占宇宙总质量85%以上的一种神秘物质——暗物质。这个实验的项目主管说“我们知道他的存在，但不知道它是什么，作为一个例子，我们不知道它的质量是多少。”
这个实验被命名为LZ实验，是由美国能源部和国家科学基金会资助的旨在直接探测暗物质的实验。因为曾经的实验均以失败告终，所以这次他们使用前所未有的规模和更加灵敏的系统来应对这项挑战。
1930年，天文学家弗里茨观测聚集在一起的超过1000个星系的运动速度,分析计算出可见物质的引力没有强大到足以阻止星系集群飞散开来。 他认为一定有看不到的物质贡献了大量的大部分的引力稳固了星系集群。
四十年后,天文学家维拉·鲁宾和肯特福特通过研究螺旋星系内恒星的运动发现了暗物质的证据。 他们发现这些星系外缘的恒星移动速度与中心的一样快。这可能由于暗物质提供一个额外的引力。
最近，一张两个碰撞星系的照片，绰号“子弹团”，显示了一种引力透镜效应光，由于巨大的引力而弯曲，这不能单靠可见物质来解释。科学家们说，这些观察有力地指出了暗物质的存在，但暗物质究竟是由什么构成的仍然是个谜。
图释：子弹星系团，粉红色描绘了热气体发射的X射线，蓝色描绘了暗物质的分布
科学家库什曼（另一个暗物质探测实验的发言人）认为暗物质自宇宙大爆炸以来一直影响着整个宇宙的演化过程，如果没有暗物质，我们就不会看到今天的星系团。
对于暗物质的探测，首先是间接探测。它试图观察来自宇宙深处的信号，如伽马射线，这些信号可能来自暗物质粒子的湮灭或衰变。科学家们还试图通过在大型强子对撞机中将两个高能质子相互撞击来制造暗物质粒子，模拟所有这些粒子形成时可能发生的大爆炸。而LZ实验则是直接探测。希望暗物质粒子偶尔能通过微弱的力与正常物质相互作用，使它们能够被极其灵敏的探测器发现。由于暗物质粒子的特性是完全未知的，所以研究人员试图直接探测暗物质，基本上是对探测器应该寻找的质量进行有根据的猜测。
图释：两个直接探测暗物质的实验
超级DMS计划在2020年底开始其研究，探测最轻的弱相互作用的质量粒子（WIMP）质量，从一个质子质量的一小部分到十个质子质量不等。位于安大略省一个镍矿地下6800英尺的地方，最初的实验将使用四个塔，每个塔包含六个由硅锗晶体制成的探测器，试图探测暗物质。随着实验在未来十年的扩展，该设施预计将容纳30多座塔楼。
如果WIMP击中其中一个探测器，碰撞将（理论上）干扰整个晶格中的电子，产生更多的振动并放大最初的碰撞。放大后的信号将被传感器接收，从而提醒研究人员发生碰撞。即使是物理学家称之为“噪音”的最小干扰，也可能通过触发虚假信号来干扰实验。因此，研究人员必须采取极端的预防措施，例如将探测器冷却到零下450华氏度（接近绝对零度）以下，以避免热振动，并建立屏蔽层，以阻止宇宙辐射粒子从太空撞击地球的干扰。
库什曼解释说，在未来十年里，超级DMS的目标是变得非常敏感，甚至可以探测到中微子，这种电中性粒子具有几乎难以理解的小质量，是由放射性衰变（如太阳内部的核反应）形成的。届时，由于中微子将比任何其他类型的干扰更像暗物质粒子，实验将在屏蔽背景信号方面遇到前所未有的挑战。
上图：在SNOBOX中探测器包将被冷却到几乎绝对零度，底部一个由硅和锗晶体制成的探测器
LZ的目标是质量较重的粒子，其质量介于数个质子到数万个质子之间。实验由10吨液态氙气（约占世界年供应量的四分之一）组成，周围环绕着一个钛制容器，将氙气放在第二个盛有吸收伽马射线液体的容器内，所有这些都放在另一个盛有7万加仑水的容器内。
Gilchriese说：“希望暗物质粒子与氙相互作用时，既产生光又产生电荷。研究人员检测到最初的光脉冲，然后电荷向上漂移超过一米，在那里由500个传感器检测到。来自这两个信号的信息将使研究人员能够计算出初始碰撞的能量和位置。确定碰撞发生的位置至关重要，因为这将揭示信号是由容器外部的干扰噪声引起的，还是由纯氙浴中心的碰撞引起的，研究人员认为只有暗物质粒子才能到达。
美国以外的其他组织也在竞相使用液态氙气寻找暗物质。一旦LZ在2020年中期开启，来自世界各地的科学家可能会屏住呼吸，期待探测到的信号。
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