I en gammal guldgruva i South Dakota, en och en halv kilometer under jord, har forskare under flera år sökt efter mörk materia. Nu tror de att de är nära ett genombrott. Om de lyckas lösa en av fysikens största gåtor kan det innebära Nobelpris.
Den så kallade mörka materian är osynlig. Den avger inget ljus och ingen annan form av elektromagnetisk strålning. Ändå vet forskarna att den finns där. Utan den skulle galaxer inte hållas samman när de roterar, och universums struktur skulle se helt annorlunda ut. Enligt den rådande kosmologiska modellen utgör mörk materia ungefär 27 procent av universums innehåll, medan den synliga materian bara står för omkring fem procent.
Problemet är att ingen ännu har lyckats observera mörk materia direkt. Man vet att den växelverkar med tyngdkraften, men inte vilken typ av partikel den består av. Flera teorier pekar på tunga, svagt växelverkande partiklar, så kallade WIMP:ar, medan andra forskare letar efter lättare kandidater som axioner. Detektorer måste byggas med extrem precision och skärmas från allt som kan störa mätningarna.
Därför är den gamla guldgruvan i South Dakota en idealisk plats. Det rör sig om Homestakegruvan i Lead, en av Nordamerikas mest produktiva guldgruvor genom tiderna. Gruvan var i drift i över 125 år innan den stängdes 2002, sedan guldhalterna sjunkit och brytningen inte längre var lönsam. I stället för att lämnas tom har de djupa tunnlarna fått nytt liv som forskningsanläggningen Sanford Underground Research Facility.
Djupet är avgörande. Det tjocka berglagret ovanför laboratoriet skärmar av kosmisk strålning och annan bakgrundsstrålning som annars skulle förstöra de känsliga mätningarna. På en och en halv kilometers djup är den naturliga strålningsnivån så låg att forskare kan bygga detektorer som reagerar på även de svagaste signalerna från rymden.
Redan i dag pågår flera experiment i gruvan. Ett av de mest kända är LUX-ZEPLIN, LZ, som är byggt för att jaga just WIMP:ar. Detektorn innehåller tio ton flytande xenon och är omgiven av sensorer som registrerar ljusblixtar och elektroniska signaler. Om en mörk materia-partikel kolliderar med en xenonatom i tanken skulle det kunna ge en mätbar signal.
Forskarna bakom projektet tror att de är på väg mot ett genombrott. Skulle ett sådant ske, skulle det för första gången ge en direkt inblick i vad mörk materia egentligen är. Det skulle också vara en vetenskaplig milstolpe av sällan skådat slag. Enligt forskarna själva är ett Nobelpris i fysik då långt ifrån otänkbart.
Utvecklingen i South Dakota är inte unik. Flera nedlagda gruvor runt om i världen har under de senaste decennierna byggts om till underjordslaboratorier. I Kanada ligger SNOLAB i en gammal gruva i Sudbury, nästan två kilometer under marken. I Italien används Gran Sasso-laboratoriet för forskning om allt från neutriner till mörk materia. Gemensamt för dem är att de gamla gruvorna redan har infrastruktur, transporter och stabila bergväggar, vilket gör dem billigare och säkrare att använda för forskning än att bygga nya anläggningar.
För staden Lead har omvandlingen haft stor betydelse. När guldgruvan stängde försvann den lokala ekonomin. I stället har forskningsanläggningen lockat till sig forskare, ingenjörer och investeringar från hela världen. Där man tidigare bröt guld bedrivs i dag avancerad grundforskning, och regionen har fått en helt ny roll inom vetenskapen.
Om forskarna lyckas fånga mörk materia skulle det inte bara vara en framgång för South Dakota. Det skulle förändra vår bild av universum. Förståelsen av hur galaxer bildas, varför stjärnor hålls på plats och vad universum faktiskt är uppbyggt av skulle tas flera steg framåt. För forskarlaget i den gamla gruvan handlar det inte längre om att hitta guld i berget, utan om att fånga något som kan visa hur hela kosmos är sammansatt.
