目錄
1 2 3 4 5 6 7 暗物質(zhì) ? （物理名詞） ? ? 目錄 ? 研究歷程 ? 星系研究 ? 研究結(jié)論 ? 成分測(cè)量 ? 研究觀點(diǎn) ? 常見(jiàn)粒子 ? 原質(zhì)起源 ? 理論模型 ? 觀測(cè)手段 ? 間接探測(cè) ? 探測(cè)項(xiàng)目
暗物質(zhì)
（物理名詞）
暗物質(zhì)（Dark Matter）是一種比電子和光子還要小的物質(zhì)，不帶電荷，不與電子發(fā)生干擾，能夠穿越電磁波和引力場(chǎng)，是宇宙的重要組成部分。暗物質(zhì)的密度非常小，但是數(shù)量龐大，因此它的總質(zhì)量很大，它們代表了宇宙中26%的物質(zhì)含量，其中人類可見(jiàn)的只占宇宙總物質(zhì)量的5%不到（約4.9%）。暗物質(zhì)無(wú)法直接觀測(cè)得到，但它能干擾星體發(fā)出的光波或引力，其存在能被明顯地感受到。暗物質(zhì)存在的最早證據(jù)來(lái)源于對(duì)球狀星系旋轉(zhuǎn)速度的觀測(cè)。現(xiàn)代天文學(xué)通過(guò)引力透鏡、宇宙中大尺度結(jié)構(gòu)形成、天文觀測(cè)和膨脹宇宙論研究表明：宇宙的密度可能由約68.3%的暗能量，4.9%的重子物質(zhì)，26.8%暗物質(zhì)組成。新計(jì)算機(jī)模型：暗物質(zhì)并非由重粒子組成。 中文名暗物質(zhì)外文名Dark matter別稱不可見(jiàn)物質(zhì)發(fā)現(xiàn)者弗里茲·扎維奇質(zhì)量宇宙的90%類屬天文學(xué)
目錄
1發(fā)現(xiàn)證據(jù)2研究歷史?研究歷程?星系研究?研究結(jié)論3物質(zhì)分布4主要成分?成分測(cè)量?研究觀點(diǎn)?常見(jiàn)粒子5理論成果?原質(zhì)起源?理論模型6探測(cè)方法?觀測(cè)手段?直接探測(cè)?間接探測(cè)?探測(cè)項(xiàng)目7探測(cè)成就8粒子與介子行為類似
發(fā)現(xiàn)證據(jù)1915年，愛(ài)因斯坦根據(jù)他的相對(duì)論得出推論：宇宙的形狀取決于宇宙質(zhì)量的多少。他認(rèn)為:宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質(zhì)的平均密度必須達(dá)到每立方厘米5×10的負(fù)30次方克。但是，迄今可觀測(cè)到的宇宙的密度，卻比這個(gè)值小100倍。也就是說(shuō)，宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)“失蹤”了，科學(xué)家將這種“失蹤”的物質(zhì)叫“暗物質(zhì)”。最早提出證據(jù)并推斷暗物質(zhì)存在的是20世紀(jì)30年代荷蘭科學(xué)家Jan Oort與美國(guó)加州理工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茲·扎維奇等人。1932年，美國(guó)加州工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茲·扎維奇最早提出證據(jù)并推斷暗物質(zhì)的存在。弗里茲·扎維奇觀測(cè)螺旋星系旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，發(fā)現(xiàn)星系外側(cè)的旋轉(zhuǎn)速度較牛頓重力預(yù)期的快，故推測(cè)必有數(shù)量龐大的質(zhì)能拉住星系外側(cè)組成，以使其不致因過(guò)大的離心力而脫離星系。弗里茲·扎維奇發(fā)現(xiàn)，大型星系團(tuán)中的星系具有極高的運(yùn)動(dòng)速度，除非星系團(tuán)的質(zhì)量是根據(jù)其中恒星數(shù)量計(jì)算所得到的值的100倍以上，否則星系團(tuán)根本無(wú)法束縛住這些星系。暗物質(zhì)（dark matter）剛被提出來(lái)時(shí)僅僅是理論的產(chǎn)物，之后幾十年的觀測(cè)分析證實(shí)了這一點(diǎn)。盡管對(duì)暗物質(zhì)的性質(zhì)仍然一無(wú)所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大約20%的暗物質(zhì)已被廣為接受了。在引入宇宙膨脹理論之后，許多宇宙學(xué)家相信我們的宇宙是一個(gè)平行的空間，而且宇宙總能量密度必定是等于臨界值的（這一臨界值用于區(qū)分宇宙是封閉的還是開(kāi)放的）。與此同時(shí)，宇宙學(xué)家們也傾向于一個(gè)簡(jiǎn)單的宇宙，其中能量密度都以物質(zhì)的形式出現(xiàn)，包括4%的普通物質(zhì)和96%的暗物質(zhì)與暗能量。但事實(shí)上，觀測(cè)從來(lái)就沒(méi)有與此相符合過(guò)。雖然在總物質(zhì)密度的估計(jì)上存在著比較大的誤差，但是這一誤差還沒(méi)有大到使物質(zhì)的總量達(dá)到臨界值，而且這一觀測(cè)和理論模型之間的不一致也隨著時(shí)間變得越來(lái)越尖銳。不過(guò)，我們忽略了極為重要的一點(diǎn)，那就是暗物質(zhì)促成了宇宙結(jié)構(gòu)的形成，如果沒(méi)有暗物質(zhì)就不會(huì)形成星系、恒星和行星，更談不上今天的人類了。宇宙盡管在極大的尺度上表現(xiàn)出均勻和各向同性，但是在小一些的尺度上則存在著恒星、星系、星系團(tuán)以及星系長(zhǎng)城。而在大尺度上能夠促使物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的力就只有引力了。但是均勻分布的物質(zhì)不會(huì)產(chǎn)生引力，因此今天所有的宇宙結(jié)構(gòu)必然源自于宇宙極早期物質(zhì)分布的微小漲落，而這些漲落會(huì)在宇宙微波背景（CMB）中留下痕跡。然而普通物質(zhì)不可能通過(guò)其自身的漲落形成實(shí)質(zhì)上的結(jié)構(gòu)而又不在宇宙微波背景輻射中留下痕跡，因?yàn)槟菚r(shí)普通物質(zhì)還沒(méi)有從輻射中脫耦出來(lái)。另一方面，不與輻射耦合的暗物質(zhì)，其微小的漲落在普通物質(zhì)脫耦之前就放大了許多倍。在普通物質(zhì)脫耦之后，已經(jīng)成團(tuán)的暗物質(zhì)就開(kāi)始吸引普通物質(zhì)，進(jìn)而形成了我們觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)。這需要一個(gè)初始的漲落，但是它的振幅非常非常的小。這里需要的物質(zhì)就是冷暗物質(zhì)，由于它是無(wú)熱運(yùn)動(dòng)的非相對(duì)論性粒子因此得名。在開(kāi)始闡述這一模型的有效性之前，必須先交待一下其中一件重要的事情。對(duì)于先前提到的小擾動(dòng)（漲落），為了預(yù)言其在不同波長(zhǎng)上的引力效應(yīng)，小擾動(dòng)譜必須具有特殊的形態(tài)。為此，最初的密度漲落應(yīng)該是標(biāo)度無(wú)關(guān)的。也就是說(shuō)，如果我們把能量分布分解成一系列不同波長(zhǎng)的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都應(yīng)該是相同的。“大爆炸”初期暴漲理論的成功之處就在于它提供了很好的動(dòng)力學(xué)出發(fā)機(jī)制來(lái)形成這樣一個(gè)標(biāo)度無(wú)關(guān)的小擾動(dòng)譜（其譜指數(shù)n=1）。WMAP的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了這一預(yù)言。但是如果我們不了解暗物質(zhì)的性質(zhì)，就不能說(shuō)我們已經(jīng)了解了宇宙。我們已經(jīng)知道了兩種暗物質(zhì)--中微子和黑洞。但是它們對(duì)暗物質(zhì)總量的貢獻(xiàn)是非常微小的，暗物質(zhì)中的絕大部分還不清楚。這里我們將討論暗物質(zhì)可能的候選者，由其導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)形成，以及我們?nèi)绾尉C合粒子探測(cè)器和天文觀測(cè)來(lái)揭示暗物質(zhì)的性質(zhì)。研究歷史
研究歷程
21世紀(jì)初科學(xué)xxx的謎是暗物質(zhì)和暗能量。暗物質(zhì)存在于人類已知的物質(zhì)之外，人們知道它的存在，但不知道它是什么，它的構(gòu)成也和人類已知的物質(zhì)不同。在宇宙中，暗物質(zhì)的能量是人類已知物質(zhì)的能量的5倍以上。暗物質(zhì)的總質(zhì)量是普通物質(zhì)的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同時(shí)更重要的是，暗物質(zhì)主導(dǎo)了宇宙結(jié)構(gòu)的形成。暗物質(zhì)的本質(zhì)還是個(gè)謎。科學(xué)家認(rèn)為，整個(gè)宇宙有84.5%是由暗物質(zhì)構(gòu)成，但一直未能證明其存在。已有不少天文學(xué)家認(rèn)為，宇宙中90%以上的物質(zhì)是以“暗物質(zhì)”的方式隱藏著。天文學(xué)家們稱，根據(jù)當(dāng)前一些統(tǒng)計(jì)資料顯示，我們平常看不見(jiàn)的暗物質(zhì)很可能占有宇宙所有物質(zhì)總量的95%，而人類可以看到的物質(zhì)只占宇宙總物質(zhì)量的不到10%。20世紀(jì)30年代，荷蘭天體物理學(xué)家837.htm" style="color: rgb(19, 110, 194); text-decoration: none;">奧爾特指出：為了說(shuō)明恒星的運(yùn)動(dòng)，需要假定在太陽(yáng)附近存在著暗物質(zhì)；同年代，茨維基從室女星系團(tuán)諸星系的運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)中，也認(rèn)為在星系團(tuán)中存在著大量的暗物質(zhì)；美國(guó)天文學(xué)家巴柯的理論分析也表明，在太陽(yáng)附近，存在著與發(fā)光物質(zhì)幾乎同等數(shù)量看不見(jiàn)的物質(zhì)。1930年初，瑞士天文學(xué)家扎維奇發(fā)表了一個(gè)驚人結(jié)果：在星系團(tuán)中，看得見(jiàn)的星系只占總質(zhì)量的1/300以下，而99%以上的質(zhì)量是看不見(jiàn)的。不過(guò)，扎維奇的結(jié)果許多人并不相信。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，科學(xué)家們根據(jù)對(duì)許多大型天體之間，如星系之間的引力效果的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，常規(guī)物質(zhì)不可能引起如此大的引力，因此暗物質(zhì)的存在理論被廣泛認(rèn)同。2006年1月6日?qǐng)?bào)道，劍橋大學(xué)天文研究所的科學(xué)家們?cè)跉v史上x(chóng)xx次成功確定了廣泛分布在宇宙間的暗物質(zhì)的部分物理性質(zhì)。從事此項(xiàng)研究的科學(xué)家們已準(zhǔn)備將此項(xiàng)研究結(jié)果公開(kāi)發(fā)表。2006年，美國(guó)天文學(xué)家利用錢德拉X射線望遠(yuǎn)鏡對(duì)星系團(tuán)1E 0657-56進(jìn)行觀測(cè)，無(wú)意間觀測(cè)到星系碰撞的過(guò)程，星系團(tuán)碰撞威力之猛，使得黑暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開(kāi)，因此發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。天文學(xué)家推測(cè)，宇宙中最重要的成分是暗物質(zhì)和暗能量，暗物質(zhì)占宇宙25%，暗能量占70%，通常所觀測(cè)到的普通物質(zhì)只占宇宙質(zhì)量的5%。因此，探測(cè)和研究暗物質(zhì)很可能導(dǎo)致物理學(xué)界新的xxx。2007年1月，暗物質(zhì)分布圖終于誕生了！經(jīng)過(guò)4年的努力，70位研究人員繪制出這幅三維的“藍(lán)圖”，勾勒出相當(dāng)于從地球上看，8個(gè)月亮并排所覆蓋的天空范圍中暗物質(zhì)的輪廓。這張圖是通過(guò)引力透鏡原理獲得的。馬賽天文物理實(shí)驗(yàn)室的讓-保羅·克乃伯(Jean-Paul Kneib)參加了這張分布圖的繪制工作，他認(rèn)為這種“面包丁”的形狀自25億年以來(lái)就沒(méi)有很大改變，所以我們看到的也就是暗物質(zhì)的形狀。2007年5月16日出版的《天體物理學(xué)雜志》稱，約翰斯·霍普金斯大學(xué)天文學(xué)家小組利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，探測(cè)到了位于遙遠(yuǎn)星系團(tuán)中呈環(huán)狀分布的暗物質(zhì)。天文學(xué)家們稱，這是迄今為止能證明暗物質(zhì)存在的xxx有力的證據(jù)。這一重大發(fā)現(xiàn)刊登在上。 研究小組成員、天文學(xué)家詹姆斯·杰說(shuō)，“這是xxx次探測(cè)到有著獨(dú)特結(jié)構(gòu)的暗物質(zhì)，它的環(huán)狀結(jié)構(gòu)與星系團(tuán)內(nèi)部星系以及熱氣體的結(jié)構(gòu)截然不同[4]”。這將有助于天文學(xué)家分析暗物質(zhì)與普通物質(zhì)的區(qū)別，理解引力作用是如何影響暗物質(zhì)的。2009年12月21日，科學(xué)家在Souden煤礦中發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)，這是迄今為止最有力的發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)證據(jù)。其他實(shí)驗(yàn)也在探尋來(lái)自暗物質(zhì)的信號(hào)，比如地下氙（Lux）實(shí)驗(yàn)。美國(guó)費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡則試圖定位暗物質(zhì)，尋找其在空間湮沒(méi)（暗物質(zhì)發(fā)生碰撞時(shí)，兩個(gè)粒子將生成可以被探測(cè)器接收到的γ射線）的證據(jù)，但目前沒(méi)有任何發(fā)現(xiàn)。2010年12月12日，中國(guó)xxx極深地下實(shí)驗(yàn)室——“中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室”于在四川雅礱江錦屏水電站揭牌并投入使用，錦屏地下實(shí)驗(yàn)室垂直巖石覆蓋達(dá)2400米，是當(dāng)前世界巖石覆蓋最深的實(shí)驗(yàn)室。它的建成標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)擁有了世界一流的潔凈的低輻射研究平臺(tái)，能夠自主開(kāi)展像暗物質(zhì)探測(cè)這樣的國(guó)際最前沿的基礎(chǔ)研究課題。清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)組的暗物質(zhì)探測(cè)器已經(jīng)率先進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，并啟動(dòng)探測(cè)工作，而2012年上海交通大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)也將進(jìn)入這里開(kāi)展暗物質(zhì)的探測(cè)研究。2011年5月，意大利暗物質(zhì)探測(cè)無(wú)果，該研究結(jié)果質(zhì)疑其它發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的結(jié)果。有科學(xué)研究表明，大麥哲倫星系銀河系約16萬(wàn)光年）未被銀河系的引力撕碎的原因可能是因?yàn)榘滴镔|(zhì)的影響，使大麥哲倫星系幸免于難。日內(nèi)瓦時(shí)間2013年4月3日下午5點(diǎn)（北京時(shí)間2013年4月4日零點(diǎn)），諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者丁肇中教授在日內(nèi)瓦歐洲核子中心，首次公布其領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀（AMS）項(xiàng)目18年之后的xxx個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果——已發(fā)現(xiàn)的40萬(wàn)個(gè)正電子可能來(lái)自一個(gè)共同之源，即脈沖星或人們一直尋找的暗物質(zhì)。至2013年，尋找暗物質(zhì)粒子、研究暗能量的物理本質(zhì)、探索宇宙起源及演化的奧秘、結(jié)合粒子物理和宇宙學(xué)的研究已成為21世紀(jì)天文學(xué)和物理學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者李政道教授曾多次指出：“暗物質(zhì)是籠罩20世紀(jì)末和21世紀(jì)初現(xiàn)代物理學(xué)的xxx烏云，它將預(yù)示著物理學(xué)的又一次xxx。”2013年4月18日，美國(guó)物理學(xué)會(huì)的科學(xué)家報(bào)告稱，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大質(zhì)量弱相互作用粒子的信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到3個(gè)西格瑪水平，他們發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的可能性達(dá)到99.8%。2013年4月，當(dāng)?shù)貢r(shí)間3日，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、華裔物理學(xué)家丁肇中及其阿爾法磁譜儀項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)宣布的成果，讓人類在認(rèn)識(shí)暗物質(zhì)的道路上邁出重要一步。丁肇中團(tuán)隊(duì)借助阿爾法磁譜儀已發(fā)現(xiàn)40萬(wàn)個(gè)正電子，這些正電子可能來(lái)自人類一直尋找的暗物質(zhì)（正電子是反物質(zhì)，和暗物質(zhì)是完全不同的概念）。阿爾法磁譜儀首批研究成果“將有助于促進(jìn)對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)和天體物理學(xué)領(lǐng)域新的理解”，“我們期盼更多來(lái)自這一項(xiàng)目的令人激動(dòng)的成果”。阿爾法磁譜儀(AMS)項(xiàng)目重大成果，該成果有可能證明暗物質(zhì)確實(shí)存在。北京時(shí)間2014年9月18日，程林教授團(tuán)隊(duì)與丁肇中合作的AMS項(xiàng)目重大成果發(fā)布會(huì)在瑞士日內(nèi)瓦舉行，丁肇中主持的實(shí)驗(yàn)室公布AMS項(xiàng)目最新研究成果，宇宙射線中過(guò)量的正電子可能來(lái)自暗物質(zhì)。丁肇中特委托山東大學(xué)程林教授在國(guó)內(nèi)發(fā)布有關(guān)成果。在已完成的觀測(cè)中，證明暗物質(zhì)存在實(shí)驗(yàn)的6個(gè)有關(guān)特征中，已有5個(gè)得到確認(rèn)。
星系研究
“暗物質(zhì)”星系團(tuán)，也被稱為“子彈星系團(tuán)”，距離地球38億光年。通過(guò)研究這類星系團(tuán)，科學(xué)家能夠測(cè)量出暗物質(zhì)的不可見(jiàn)影響。子彈星系團(tuán)是兩個(gè)星系團(tuán)碰撞的產(chǎn)物。其中普通物質(zhì)——高溫氣體(粉色，X射線波段)——會(huì)碰撞、損失能量、運(yùn)動(dòng)速度變慢。星系團(tuán)中的暗物質(zhì)(藍(lán)色，引力透鏡觀測(cè))間相互作用很弱，可以彼此穿過(guò)。 據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)報(bào)道，神秘的暗物質(zhì)一直以來(lái)都是自然界的未解之謎，引起了科學(xué)家們的探索和爭(zhēng)論。美國(guó)“低溫暗物質(zhì)搜尋計(jì)劃”項(xiàng)目組科學(xué)家研究指出，暗物質(zhì)或許就存在于地球之上。 暗物質(zhì)就因?yàn)樗澳：㈦[晦”的特點(diǎn)而很難發(fā)現(xiàn)。事實(shí)上，科學(xué)家們也不知道究竟何為暗物質(zhì)。由于暗物質(zhì)既不釋放任何光線，也不反射任何光線，因此xxx大的天文望遠(yuǎn)鏡都無(wú)法直接探測(cè)到它。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)螺旋星系NGC 4736的旋轉(zhuǎn)能完全依靠可見(jiàn)物質(zhì)的引力來(lái)解釋，也就是說(shuō)這個(gè)星系沒(méi)有暗物質(zhì)或者暗物質(zhì)很少。Abell 2390星系團(tuán)和暗物質(zhì)星系團(tuán)，距離我們約有20億光年遠(yuǎn)。右半方的影像，是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡所拍攝的假色照片，而相對(duì)應(yīng)的左半方影像，是由錢卓拉X射線觀測(cè)站所拍攝的X射線影像。雖然哈勃望遠(yuǎn)鏡的影像中，可以看到數(shù)量眾多的星系，但在X射線影像里，這些星系的蹤影卻無(wú)處可尋，只見(jiàn)到一團(tuán)溫度有數(shù)百萬(wàn)度，而且會(huì)輻射出X射線的熾熱星系團(tuán)云氣。除了表面上的差異外，這些觀測(cè)其實(shí)還含有更重大的謎團(tuán)呢。因?yàn)橛曳接跋裰行窍档目傎|(zhì)量加上左方云氣的質(zhì)量，它們所產(chǎn)生的重力，并不足以讓這團(tuán)熾熱云氣乖乖地留在星系團(tuán)之內(nèi)。事實(shí)上再怎么細(xì)算，這些質(zhì)量只有“必要質(zhì)量”的百分之十三而已！在右方哈勃望遠(yuǎn)鏡的深場(chǎng)影像里，重力透鏡效應(yīng)影像也指出造成這些幻像所需要的質(zhì)量，大于哈勃望遠(yuǎn)鏡和錢卓拉觀測(cè)站所直接看到的。天文學(xué)家認(rèn)為，星系團(tuán)內(nèi)大部分的物質(zhì)，是連這些靈敏的太空望遠(yuǎn)鏡也看不到的“暗物質(zhì)”。在大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡所拍攝的天空照片上已發(fā)現(xiàn)了暗于14星等，不到半個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的M型矮星。由于太陽(yáng)位于銀河系中心平面的附近，從探測(cè)到的M型矮星的數(shù)目可推算出，它們大概能提供銀河系應(yīng)有失蹤質(zhì)量的另一半。且每一顆M型星發(fā)光，有幾萬(wàn)年。所以人們認(rèn)為銀河系中一定存在著許許多多的這些小恒星“燃燒”后的“尸體”，足以提供理論計(jì)算所需的全部暗物質(zhì)。美國(guó)科學(xué)家稱，他們通過(guò)一種最新的理論研究發(fā)現(xiàn)，地球和月球之間其實(shí)隱藏著大量神秘的暗物質(zhì)。這一觀點(diǎn)也許可以用來(lái)解釋所謂的“飛行異常”奇怪現(xiàn)象。當(dāng)太空飛行器進(jìn)入太空之前、尚在地球周圍不斷加速的過(guò)程中，所有飛行器都曾有過(guò)奇怪的速率變化過(guò)程。而根據(jù)已知的萬(wàn)有引力定律，不應(yīng)該出現(xiàn)這種現(xiàn)象。于是有些科學(xué)家認(rèn)為，這種飛行異常表明現(xiàn)有物理定律以及萬(wàn)有引力定律存在問(wèn)題，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論需要修正。當(dāng)然這只是一種較為激進(jìn)的看法。德國(guó)慕尼黑大學(xué)天文臺(tái)的約爾格·迪特里希及其研究團(tuán)隊(duì)已探測(cè)到一個(gè)超星系團(tuán)的絲狀物中的暗物質(zhì)成分。這個(gè)超星系團(tuán)名為“阿伯爾222/223”，距地球約27億光年。巨大的絲狀物產(chǎn)生的引力使得從地球發(fā)射至遙遠(yuǎn)星系的光束發(fā)生彎曲。迪特里希的研究團(tuán)隊(duì)利用這種光束，計(jì)算出“阿伯爾222/223”超星系團(tuán)絲狀物的質(zhì)量并繪制出它的形狀。附近正常物質(zhì)的熾熱氣體發(fā)出的X射線表明，正常物質(zhì)是該超星系團(tuán)絲狀物的組成部分，但僅占其質(zhì)量的10%。其余部分一定是暗物質(zhì)。迪特里希說(shuō)，這表明這些絲狀物是“將宇宙中的星系團(tuán)連接在一起的暗物質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的一部分”。霍普和他的科研組通過(guò)對(duì)費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡在兩年多時(shí)間里傳回地球的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這種高能死亡信號(hào)。費(fèi)米太空望遠(yuǎn)鏡是美國(guó)宇航局的伽馬射線望遠(yuǎn)鏡，主要用來(lái)掃描銀河的高能活躍區(qū)。他們發(fā)現(xiàn)，發(fā)出信號(hào)的相撞在一起的暗物質(zhì)粒子，比質(zhì)子大約重8到9倍。霍普說(shuō)：“它比我們大部分人猜測(cè)的結(jié)果可能更輕一些。迄今為止我們很擅長(zhǎng)這方面。不過(guò)人們猜測(cè)的暗物質(zhì)粒子的重量范圍不會(huì)一成不變。”該科研組在銀河核心處一個(gè)直徑100光年的區(qū)域收集到的數(shù)據(jù)里發(fā)現(xiàn)這些信號(hào)。霍普解釋說(shuō)，他們之所以會(huì)關(guān)注這個(gè)區(qū)域，是因?yàn)樗前滴镔|(zhì)最喜歡的聚集地，銀河這個(gè)區(qū)域的暗物質(zhì)密度，是銀河邊緣的10萬(wàn)倍。簡(jiǎn)而言之，銀河核心就是一個(gè)暗物質(zhì)大量聚集在一起，經(jīng)常相撞的地方。
研究結(jié)論
直到1978年才出現(xiàn)xxx個(gè)令人信服的證據(jù)，這就是測(cè)量物體圍繞星系轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。根據(jù)地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的速度和地球與太陽(yáng)的距離，就可以測(cè)出太陽(yáng)的總質(zhì)量。同理，根據(jù)物體（星體或氣團(tuán)）圍繞星系運(yùn)行的速度和該物體距星系中心的距離，就可以估算出星系范圍內(nèi)的總質(zhì)量。這樣計(jì)算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，星系的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于星系中可見(jiàn)星體的質(zhì)量總和。觀測(cè)結(jié)果和理論分析均表明漩渦星系xxx存在著大質(zhì)量的暗暈。科學(xué)家們借助強(qiáng)功率天文望遠(yuǎn)鏡（包括架設(shè)在智利的甚大天文望遠(yuǎn)鏡VLT --Very Large Telescope）對(duì)距離銀河系不遠(yuǎn)的矮星系進(jìn)行了共達(dá)23夜的研究，此后科學(xué)家們還通過(guò)約7000余次的計(jì)算得出結(jié)論稱：在他們所觀測(cè)的這些矮星系中，暗物質(zhì)的含量是其它普通物質(zhì)的400多倍。此外，這些矮星系中物質(zhì) 粒子的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)每秒9公里，其溫度可達(dá)10000℃。同時(shí)科學(xué)家們還觀測(cè)到，暗物質(zhì)與其它普通物質(zhì)還有著巨大的差異，如：盡管觀測(cè)目標(biāo)的溫度是如此之高，但是這樣的高溫卻不會(huì)產(chǎn)生任何輻射。據(jù)領(lǐng)導(dǎo)此項(xiàng)研究的杰里-吉爾摩教授認(rèn)為，暗物質(zhì)微粒很有可能不是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。然而在此之前科學(xué)家們?cè)回炚J(rèn)為，暗物質(zhì)應(yīng)該是由一些“冷”粒子構(gòu)成的，這些粒子的運(yùn)動(dòng)速度也不會(huì)太高。暗物質(zhì)研究專家們還表示，宇宙間最小的連續(xù)存在的暗物質(zhì)片段大小也有1000光年，這樣的暗物質(zhì)片段質(zhì)量約是太陽(yáng)的30多倍。科學(xué)家們還在此次研究中確定出了暗物質(zhì)微粒分布的密度，譬如，在地球上每立方厘米的空間如果能夠容納1023個(gè)物質(zhì)粒子，那么對(duì)于暗物質(zhì)來(lái)說(shuō)這么大的空間只能容納約三分之一的微粒。宇宙學(xué)家表示，他們已經(jīng)在銀河核心深處發(fā)現(xiàn)與暗物質(zhì)粒子有關(guān)的最令人信服的證據(jù)。該地的這種神秘物質(zhì)相撞在一起產(chǎn)生伽馬射線的次數(shù)，比天空中的其他臨近區(qū)域更頻繁。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的天體物理學(xué)家克雷格·霍甘并沒(méi)參與這項(xiàng)研究，他說(shuō)：“這是我所知道的xxx項(xiàng)通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單粒子模型，把少量與暗物質(zhì)的證據(jù)有關(guān)的線索拼接在一起的研究。雖然它還沒(méi)有充足證據(jù)，但它令人興奮，值得我們?nèi)プ犯康住！卑滴镔|(zhì)從137億年前開(kāi)始在龐大的能量膨脹——宇宙大爆炸過(guò)程中形成。能量冷卻后形成普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量，它們?cè)谟钪嬷械谋壤謩e是4%、23%和73%。[8]芝加哥大學(xué)的宇宙學(xué)家邁克爾·特納表示，好消息是幾項(xiàng)有希望的暗物質(zhì)探測(cè)試驗(yàn)正在進(jìn)行。相干鍺中微子技術(shù)(CoGeNT)等深埋地下的探測(cè)器可助霍普一臂之力。該探測(cè)器近幾年可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)弱相互作用大質(zhì)量粒子的跡象。特納說(shuō)：“這十年是暗物質(zhì)的十年。這個(gè)問(wèn)題即將解決。現(xiàn)在所有這些探測(cè)器都在觀測(cè)正確方位。”他預(yù)測(cè)未來(lái)數(shù)年將會(huì)被銘記為“大質(zhì)量弱相互作用粒子(WIMP)的十年”，而且通過(guò)一系列的研究，包括利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)制造WIMP等，暗物質(zhì)的性質(zhì)將逐漸呈現(xiàn)在我們面前。2015年5月13日，由北京師范大學(xué)天文系教授張同杰領(lǐng)銜的宇宙中微子數(shù)值模擬團(tuán)隊(duì)，在“天河二號(hào)”超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，日前成功完成3萬(wàn)億粒子數(shù)的宇宙中微子和暗物質(zhì)數(shù)值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬(wàn)年之后至今約137億年的演化進(jìn)程。物質(zhì)分布天文學(xué)的觀測(cè)表明，宇宙中有大量的暗物質(zhì)，特別是存在大量的非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。據(jù)天文學(xué)觀測(cè)估計(jì)，宇宙的總質(zhì)量中，重子物質(zhì)約占2%，也就是說(shuō)，宇宙中可觀測(cè)到的各種星際物質(zhì)、星體、恒星、星團(tuán)、星云、類星體、星系等的總和只占宇宙總質(zhì)量的2%，98%的物質(zhì)還沒(méi)有被直接觀測(cè)到。在宇宙中非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)當(dāng)中，冷暗物質(zhì)約占70%，熱暗物質(zhì)約占30%。宇宙中的某些地方?jīng)]有任何暗物質(zhì)和可見(jiàn)物質(zhì)，而它們?cè)诹硗庖恍┑胤絽s異常密集：暗物質(zhì)聚集在一起，星系則掛靠在暗物質(zhì)上，就像掛在鉤子上的畫(huà)。美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)科學(xué)家安吉拉-雷塞特爾是“低溫暗物質(zhì)搜尋計(jì)劃”項(xiàng)目組成員之一。雷塞特爾表示，“就在我們的周圍，存在一種暗物質(zhì)流。每時(shí)每刻都存在一種交互。”她是在美國(guó)物理學(xué)會(huì)一次會(huì)議上發(fā)表這一理論的。在最新一期《科學(xué)快訊》雜志上，雷塞特爾和同事們發(fā)表論文聲稱，他們發(fā)現(xiàn)了兩起事件，這些事件可能就是由暗物質(zhì)撞擊探測(cè)器所引起的。雷塞特爾表示，“我們此前的探測(cè)結(jié)果從來(lái)沒(méi)有如此發(fā)現(xiàn)，這是首次。”“低溫暗物質(zhì)搜尋計(jì)劃”位于明尼蘇達(dá)州地下大約700米的一個(gè)礦井中。因此，礦井可以阻止其他任何物質(zhì)抵達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，除了暗物質(zhì)。這樣宇宙射線和其他粒子可能會(huì)與暗物質(zhì)粒子混淆的可能性已基本被排除。探測(cè)器本身也主要是由鍺元素或硅元素組成的曲棍球形狀的小塊。如果鍺或硅原子的原子核被暗物質(zhì)粒子擊中，它就會(huì)反彈并向探測(cè)器發(fā)送一個(gè)信號(hào)。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，宇宙中的暗物質(zhì)與一些小型的臨近星系密切相關(guān)。這些星系只有數(shù)顆恒星，但它們的質(zhì)量卻是這些恒星單獨(dú)質(zhì)量的一百倍。這種隱藏的物質(zhì)就被科學(xué)家稱作暗物質(zhì)。然而，研究人員也無(wú)法完全確定他們所探測(cè)到的兩個(gè)信號(hào)究竟是由暗物質(zhì)粒子還是由其他粒子引起的。這兩個(gè)信號(hào)太少，因此科學(xué)家們也無(wú)法確定。據(jù)科學(xué)家介紹，他們的計(jì)算曾經(jīng)預(yù)測(cè)到背景可能會(huì)引起一次假事件。“低溫暗物質(zhì)搜尋計(jì)劃”將繼續(xù)進(jìn)行他們的實(shí)驗(yàn)以期發(fā)現(xiàn)更多實(shí)質(zhì)性的信號(hào)。地球上另一項(xiàng)探尋暗物質(zhì)的嘗試聚焦于強(qiáng)大的粒子加速器，這類加速器可以將亞原子粒子加速到接近光速，然后讓它們相互碰撞。科學(xué)家們希望通過(guò)這種難以置信的高速碰撞從而產(chǎn)生奇異粒子，其中包括暗物質(zhì)粒子。然而，即使采用xxx大的粒子加速器，至今也未能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的任何跡象。美國(guó)馬里蘭大學(xué)科學(xué)家薩拉-恩諾表示，“你也許會(huì)問(wèn)為什么會(huì)這樣，為什么組成宇宙大部分的物質(zhì)粒子為什么在我們的加速器中從來(lái)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)。”原因之一可能就是他們的加速器還沒(méi)達(dá)到足夠強(qiáng)大。科學(xué)家們也無(wú)法確定暗物質(zhì)粒子究竟有多大，有多重，以及究竟需要多大的能量才能夠在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)它們。或許在任何加速器中都無(wú)法找到暗物質(zhì)粒子。恩諾表示，“我們或許不知道這樣一個(gè)事實(shí)，那就是暗物質(zhì)粒子是我們無(wú)法制造或探測(cè)到的粒子。”xxx的希望就寄托于新型的粒子加速器大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)身。恩諾表示，“大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)或許會(huì)最終讓我們獲得足夠的能量以產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子，并在撞擊中發(fā)出它們。”恩諾也是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)緊湊型μ子螺旋型磁譜儀實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成員之一。然而在小一些的尺度上，從1Mpc到星系的尺度（Kpc），就出現(xiàn)了不一致。幾年前這種不一致性就顯現(xiàn)出來(lái)了，而且它的出現(xiàn)直接導(dǎo)致了“現(xiàn)行的理論是否正確”這一至關(guān)重要的問(wèn)題的提出。在很大程度上，理論工作者相信，不一致性更可能是由于我們對(duì)暗物質(zhì)特性假設(shè)不當(dāng)所造成的，而不太可能是標(biāo)準(zhǔn)模型本身固有的問(wèn)題。首先，對(duì)于大尺度結(jié)構(gòu)，引力是占主導(dǎo)的，因此所有的計(jì)算都是基于牛頓和愛(ài)因斯坦的引力定律進(jìn)行的。在小一些的尺度上，高溫高密物質(zhì)的流體力學(xué)作用就必須被包括進(jìn)去了。其次，在大尺度上的漲落是微小的，而且我們有精確的方法可以對(duì)此進(jìn)行量化和計(jì)算。但是在星系的尺度上，普通物質(zhì)和輻射間的相互作用卻極為復(fù)雜。在小尺度上的以下幾個(gè)主要問(wèn)題。亞結(jié)構(gòu)可能并沒(méi)有CCDM數(shù)值模擬預(yù)言的那樣普遍。暗物質(zhì)暈的數(shù)量基本上和它的質(zhì)量成反比，因此應(yīng)該能觀測(cè)到許多的矮星系以及由小暗物質(zhì)暈造成的引力透鏡效應(yīng)，但是觀測(cè)結(jié)果并沒(méi)有證實(shí)這一點(diǎn)。而且那些環(huán)繞銀河系或者其他星系的暗物質(zhì)，當(dāng)它們合并入星系之后會(huì)使原先較薄的星系盤變得比觀測(cè)到得更厚。暗物質(zhì)暈的密度分布應(yīng)該在核區(qū)出現(xiàn)陡增，也就是說(shuō)隨著到中心距離的減小，其密度應(yīng)該急劇升高，但是這與我們觀測(cè)到的許多自引力系統(tǒng)的中心區(qū)域明顯不符。正如在引力透鏡研究中觀測(cè)到的，星系團(tuán)的核心密度就要低于由大質(zhì)量暗物質(zhì)暈?zāi)Ｐ陀?jì)算出來(lái)的結(jié)果。普通旋渦星系其核心區(qū)域的暗物質(zhì)比預(yù)期的就更少了，同樣的情況也出現(xiàn)在一些低表面亮度星系中。矮星系，例如銀河系的伴星系玉夫星系和天龍星系，則具有與理論形成鮮明對(duì)比的均勻密度中心。流體動(dòng)力學(xué)模擬出來(lái)的星系盤其尺度和角動(dòng)量都小于觀測(cè)到的結(jié)果。在許多高表面亮度星系中都呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)的棒狀結(jié)構(gòu)，如果這一結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，就要求其核心的密度要小于預(yù)期的值。可以想象，解決這些日益增多的問(wèn)題將取決于一些復(fù)雜的但卻是普通的天體物理過(guò)程。一些常規(guī)的解釋已經(jīng)被提出來(lái)用以解釋先前提到的結(jié)構(gòu)缺失現(xiàn)象。但是，總體上看，觀測(cè)證據(jù)顯示，從巨型的星系團(tuán)（質(zhì)量大于1015個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量）到最小的矮星系（質(zhì)量小于109個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量）都存在著理論預(yù)言的高密度和觀測(cè)到的低密度之間的矛盾。主要成分
成分測(cè)量
長(zhǎng)久以來(lái)，最被看好的暗物質(zhì)僅僅是假說(shuō)中的基本暗性粒子，它具有壽命長(zhǎng)、溫度低、無(wú)碰撞的特殊特性。溫度低意味著在脫耦時(shí)它們是非相對(duì)論性粒子，只有這樣它們才能在引力作用下迅速成團(tuán)。壽命長(zhǎng)意味著它的壽命必須與現(xiàn)今宇宙年齡相當(dāng)，甚至更長(zhǎng)。由于成團(tuán)過(guò)程發(fā)生在比哈勃視界（宇宙年齡與光速的乘積）小的范圍內(nèi)，而且這一視界相對(duì)宇宙而言非常的小，因此最先形成的暗物質(zhì)團(tuán)塊或者暗物質(zhì)暈比銀河系的尺度要小得多，質(zhì)量也要小得多。隨著宇宙的膨脹和哈勃視界的增大，這些最先形成的小暗物質(zhì)暈會(huì)合并形成較大尺度的結(jié)構(gòu)，而這些較大尺度的結(jié)構(gòu)之后又會(huì)合并形成更大尺度的結(jié)構(gòu)。其結(jié)果就是形成不同體積和質(zhì)量的結(jié)構(gòu)體系，定性上這是與觀測(cè)相一致的。相反的，對(duì)于相對(duì)論性粒子，例如中微子，在物質(zhì)引力成團(tuán)的時(shí)期由于其運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快而無(wú)法形成我們觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)。因此中微子對(duì)暗物質(zhì)質(zhì)量密度的貢獻(xiàn)是可以忽略的。在太陽(yáng)中微子實(shí)驗(yàn)中對(duì)中微子質(zhì)量的測(cè)量結(jié)果也支持了這一點(diǎn)。無(wú)碰撞指的是暗物質(zhì)粒子（與暗物質(zhì)和普通物質(zhì)）的相互作用截面在暗物質(zhì)暈中小的可以忽略不計(jì)。這些粒子僅僅依靠引力來(lái)束縛住對(duì)方，并且在暗物質(zhì)暈中以一個(gè)較寬的軌道偏心律譜無(wú)阻礙的作軌道運(yùn)動(dòng)。研究人員使用美國(guó)宇航局費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)伽瑪射線“光束”進(jìn)行探測(cè)，試圖確定暗物質(zhì)是否會(huì)產(chǎn)生神秘的“光束”。當(dāng)前的暗物質(zhì)理論認(rèn)為暗物質(zhì)可能是一類被稱為大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP），暗物質(zhì)粒子質(zhì)量可能比普通的粒子更大，而且不參與電磁力作用，運(yùn)動(dòng)的速度較為緩慢。大質(zhì)量弱相互作用的粒子被認(rèn)為擁有自身的“反粒子”，如果兩個(gè)WIMP粒子碰撞，就是發(fā)生湮滅，并發(fā)出伽瑪光子，這就解釋了銀河系中央暗物質(zhì)集聚區(qū)為何發(fā)現(xiàn)神秘的伽瑪射線“光束”，美國(guó)宇航局的費(fèi)米空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)觀測(cè)到了這個(gè)現(xiàn)象。
研究觀點(diǎn)
英國(guó)天文學(xué)家里斯認(rèn)為可能有三種候選者：xxx種就是上面所述的小質(zhì)量恒星或大行星；第二種是很早以前由超大質(zhì)量恒星坍縮而成的200萬(wàn)倍太陽(yáng)質(zhì)量左右的大質(zhì)量黑洞；第三種是奇異粒子，如質(zhì)量可能為20～49電子伏且與電子有聯(lián)系的中微子，質(zhì)量為105電子伏的軸子或科學(xué)家所贊成的各種大統(tǒng)一理論所允許和需求的粒子。歐洲核子研究中心的粒子物理學(xué)家伊里斯認(rèn)為，星系暈及星系團(tuán)中最佳的暗物質(zhì)候選者是超對(duì)稱理論所要求的S粒子。這種理論認(rèn)為：每個(gè)已知粒子的基本粒子（如光子）必定存在著與其配對(duì)的粒子（如具有一定質(zhì)量的光微子）。伊里斯推薦四種最佳暗物質(zhì)候選者：光微子、希格斯微子、中微子和引力粒子。科學(xué)家還認(rèn)為，這些粒子也是星系團(tuán)之間廣大宇宙空間中的冷的暗物質(zhì)候選者。跟普通物質(zhì)一樣，暗物質(zhì)具有引力作用，幾十億顆恒星正是在它們的幫助下聚集到星系里。但是這種物質(zhì)很難與普通物質(zhì)發(fā)生互動(dòng)，人們看不到它。
常見(jiàn)粒子
中微子是xxx一種曾在實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)的暗物質(zhì)粒子，但是它們幾乎是零質(zhì)量，而且在暗物質(zhì)的宇宙能量部分里僅占很小比例。天體物理學(xué)家認(rèn)為，剩下的很大一部分是由弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP)構(gòu)成，這種粒子的能量大約比質(zhì)子多10到1000倍。如果兩個(gè)暗物質(zhì)粒子撞在一起，它們就會(huì)彼此摧毀對(duì)方，產(chǎn)生伽馬射線。一些星體演化到一定階段，溫度降得很低，已經(jīng)不能再輸出任何可以觀測(cè)的電磁信號(hào)，不可能被直接觀測(cè)到，這樣的星體就會(huì)表現(xiàn)為暗物質(zhì)。這類暗物質(zhì)可以稱為重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。還有另一類暗物質(zhì)，它的構(gòu)成的成分是一些帶中性的有靜止質(zhì)量的穩(wěn)定粒子。這類粒子組成的星體或星際物質(zhì)，不會(huì)放出或吸收電磁信號(hào)。這類暗物質(zhì)可以稱為非重子物質(zhì)的暗物質(zhì)。低溫?zé)o碰撞暗物質(zhì)低溫?zé)o碰撞暗物質(zhì)（CCDM）被看好有幾方面的原因。xxx，CCDM的結(jié)構(gòu)形成數(shù)值模擬結(jié)果與觀測(cè)相一致。第二，作為一個(gè)特殊的亞類，弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）可以很好的解釋其在宇宙中的豐度。如果粒子間相互作用很弱，那么在宇宙最初的萬(wàn)億分之一秒它們是處于熱平衡的。之后，由于湮滅它們開(kāi)始脫離平衡。根據(jù)其相互作用截面估計(jì)，這些物質(zhì)的能量密度大約占了宇宙總能量密度的20-30%。這與觀測(cè)相符。CCDM被看好的第三個(gè)原因是，在一些理論模型中預(yù)言了一些非常有吸引力的候選粒子。中性子其中一個(gè)候選者就是中性子（neutralino），一種超對(duì)稱模型中提出的粒子。超對(duì)稱理論是超引力和超弦理論的基礎(chǔ)，它要求每一個(gè)已知的費(fèi)米子都要有一個(gè)伴隨的玻色子（尚未觀測(cè)到），同時(shí)每一個(gè)玻色子也要有一個(gè)伴隨的費(fèi)米子。如果超對(duì)稱依然保持到今天，伴隨粒子將都具有相同質(zhì)量。但是由于在宇宙的早期超對(duì)稱出現(xiàn)了自發(fā)的破缺，于是今天伴隨粒子的質(zhì)量也出現(xiàn)了變化。而且，大部分超對(duì)稱伴隨粒子是不穩(wěn)定的，在超對(duì)稱出現(xiàn)破缺之后不久就發(fā)生了衰變。但是，有一種最輕的伴隨粒子（質(zhì)量在100GeV的數(shù)量級(jí)）由于其自身的對(duì)稱性避免了衰變的發(fā)生。在最簡(jiǎn)單模型中，這些粒子是呈電中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候選者。如果暗物質(zhì)是由中性子組成的，那么當(dāng)?shù)厍虼┻^(guò)太陽(yáng)附近的暗物質(zhì)時(shí)，地下的探測(cè)器就能探測(cè)到這些粒子。另外有一點(diǎn)必須注意，這一探測(cè)并不能說(shuō)明暗物質(zhì)主要就是由WIMP構(gòu)成的。實(shí)驗(yàn)還無(wú)法確定WIMP究竟是占了暗物質(zhì)的大部分還是僅僅只占一小部分。軸子另一個(gè)候選者是軸子（axion），一種非常輕的中性粒子（其質(zhì)量在1μeV的數(shù)量級(jí)上），它在大統(tǒng)一理論中起了重要的作用。軸子間通過(guò)極微小的力相互作用，由此它無(wú)法處于熱平衡狀態(tài)，因此不能很好的解釋它在宇宙中的豐度。在宇宙中，軸子處于低溫玻色子凝聚狀態(tài)，已經(jīng)建造了軸子探測(cè)器，探測(cè)工作也正在進(jìn)行。雖然人們已經(jīng)對(duì)暗物質(zhì)作了許多天文觀測(cè)，其組成成份至今(2011年)仍未能全然了解。早期暗物質(zhì)的理論重在一些隱藏起來(lái)的一般物質(zhì)星體，例如：黑洞、中子星、衰老的白矮星、褐矮星等。這些星體一般歸類為暈族大質(zhì)量致密天體 (MAssive Compact Halo Objects，縮寫(xiě)為：MACHOs)，然而多年來(lái)的天文觀測(cè)無(wú)法找到足夠量的MACHOs。渺中子湮滅產(chǎn)生次級(jí)粒子。當(dāng)兩個(gè)渺中子發(fā)生碰撞就會(huì)產(chǎn)生夸克、輕子和玻色子，它們又會(huì)通過(guò)低能光子、γ射線和衰變過(guò)程產(chǎn)生正電子、電子、中微子、反質(zhì)子和質(zhì)子。 一般認(rèn)為，難以探測(cè)的重子物質(zhì)(如MACHOs以及一些氣體)確實(shí)貢獻(xiàn)了部分的暗物質(zhì)，但證據(jù)指出這類的物質(zhì)只占了其中一小部分。而其余的部分稱作“非重子暗物質(zhì)”。此外，星系轉(zhuǎn)速曲線、重力透鏡、宇宙結(jié)構(gòu)形成、重子在星系團(tuán)中的比例以及星系團(tuán)豐度(結(jié)合獨(dú)立得到的重子密度證據(jù))等觀測(cè)數(shù)據(jù)也指出宇宙中85-90%的質(zhì)量不參與電磁作用。這類“非重子暗物質(zhì)”一般猜測(cè)是由一種或多種不同于一般物質(zhì)(電子、質(zhì)子、中子、中微子等)的基本粒子所構(gòu)成。在眾多可能是組成暗物質(zhì)的成分中，最熱門的要屬一種被稱為大質(zhì)量弱相互作用粒子(英文叫做Weakly Interacting Massive Particle，簡(jiǎn)稱WIMP)的新粒子。這種粒子與普通物質(zhì)的作用非常微弱，以致于他們雖然存在于我們周圍，卻從來(lái)沒(méi)有被探測(cè)到過(guò)。還有一種被理論物理學(xué)家提出來(lái)解決強(qiáng)相互作用中CP問(wèn)題，被稱為軸子的新粒子，也很有可能是暗物質(zhì)的成分之一。惰性中微子(sterile neutrino)也有可能是組成暗物質(zhì)的一種成分.理論成果
原質(zhì)起源
美國(guó)紐約布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和英屬哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家，研究已發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。他們稱這種新機(jī)制為“原質(zhì)起源論”（hylogenesis）。英屬哥倫比亞大學(xué)克里斯·西格森說(shuō)：“我們正在努力把理論物理中的兩個(gè)問(wèn)題一起解釋。這一機(jī)制將原子形成和暗物質(zhì)聯(lián)系在一起，有助于解開(kāi)重子不對(duì)稱的秘密，作為對(duì)整個(gè)暗物質(zhì)加可見(jiàn)重子的平衡宇宙的一種重建。”根據(jù)研究人員構(gòu)建的機(jī)制，在物質(zhì)形成景象中，早期宇宙產(chǎn)生了一種新粒子X(jué)和它的反粒子X(jué)-bar（帶等量相反電荷）。X和X-bar在可見(jiàn)部分能結(jié)合成為夸克（重子物質(zhì)的基本組成，如質(zhì)子和中子），在“隱匿”部分組成了粒子（由于這種粒子可見(jiàn)部分的相互反應(yīng)是微弱的），如此，在大爆炸開(kāi)始后的xxx時(shí)刻，宇宙膨脹變熱時(shí)會(huì)有X和X-bar產(chǎn)生。隨后，X和X-bar會(huì)衰變，部分變成可見(jiàn)的顯重子（尤其是中子，由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組成），部分變成不可見(jiàn)的隱重子。據(jù)科學(xué)家解釋，X衰變成中子的頻率比X-bar衰變成反中子的頻率更高，同樣地，X-bar衰變?yōu)殡[反粒子的頻率比X衰變?yōu)殡[粒子的頻率要高。夸克形成的重子物質(zhì)組成了我們所說(shuō)的可見(jiàn)物質(zhì)，隱反重子形成了我們所說(shuō)的暗物質(zhì)。這種陰—陽(yáng)衰變方式使得可見(jiàn)物質(zhì)的正重子數(shù)量和暗物質(zhì)的負(fù)重子數(shù)量達(dá)到平衡。英屬哥倫比亞大學(xué)特里姆研究中心的肖恩·圖林說(shuō)：“可見(jiàn)物質(zhì)和暗物質(zhì)的能量密度非常接近（1/5的不同）。在許多情況下，在廣大宇宙的早期，生成可見(jiàn)物質(zhì)和暗物質(zhì)的過(guò)程是互不相關(guān)的。于是，這1/5的因素要么是早期出現(xiàn)的一個(gè)大偶然，要么是兩種物質(zhì)共同起源的重要線索。我認(rèn)為，這為構(gòu)建可見(jiàn)物質(zhì)與暗物質(zhì)起源的統(tǒng)一模型提供了主要依據(jù)。”物理學(xué)家預(yù)測(cè)，這種物質(zhì)形成機(jī)制將為尋找暗物質(zhì)提供一個(gè)全新途徑，它們會(huì)留下一些可在實(shí)驗(yàn)室探測(cè)到的特征標(biāo)記。科學(xué)家解釋說(shuō)，當(dāng)暗物質(zhì)反粒子和一個(gè)普通原子粒子相撞而湮滅時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生爆發(fā)的能量。盡管這非常稀有，但在地球上尋找質(zhì)子自發(fā)衰變的實(shí)驗(yàn)中，能探測(cè)到暗物質(zhì)。在天體物理學(xué)觀測(cè)和離子加速器數(shù)據(jù)中，也可能會(huì)出現(xiàn)其他原質(zhì)起源的信號(hào)。研究人員表示，今后也會(huì)在研究中考慮這些可能性。
理論模型
歷史上，人們將可能的暗物質(zhì)分為三個(gè)大類：冷暗物質(zhì)、溫暗物質(zhì)、熱暗物質(zhì)。 這個(gè)分類并非依照粒子的真實(shí)溫度，而是依照其運(yùn)動(dòng)的速率。冷暗物質(zhì)：在古典速度下運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)。溫暗物質(zhì)：粒子運(yùn)動(dòng)速度足以產(chǎn)生相對(duì)論效應(yīng)。熱暗物質(zhì)：粒子速度接近光速。雖然可以有第四個(gè)稱為復(fù)合暗物質(zhì)(mixed dark matter)的分類，但是這個(gè)理論在20世紀(jì)90年代由于暗能量的發(fā)現(xiàn)而被舍棄。暗物質(zhì) - 探測(cè)實(shí)驗(yàn)暗物質(zhì)的探測(cè)在當(dāng)代粒子物理及天體物理領(lǐng)域是一個(gè)很熱門的研究領(lǐng)域。對(duì)于大質(zhì)量弱相互作用粒子來(lái)說(shuō)，物理學(xué)家可能通過(guò)放置在地下實(shí)驗(yàn)室，背景噪聲減少到極低的探測(cè)器直接探測(cè)WIMP，也可以通過(guò)地面或太空望遠(yuǎn)鏡對(duì)這種粒子在星系中心，太陽(yáng)中心或者地球中心湮滅產(chǎn)生的其他粒子來(lái)間接探測(cè)。探測(cè)方法
觀測(cè)手段
1、引力透鏡法2、旋渦星系的旋轉(zhuǎn)曲線3、星系中的恒星或星系團(tuán)中的星系的速度彌散4、星系團(tuán)(及橢圓星系)的X射線氣體的流體靜力學(xué)平衡方法5、星系團(tuán)的蘇尼亞耶夫-澤爾多維奇效直接探測(cè)間接探測(cè)WIMP。WIMP偶爾會(huì)撞上一個(gè)原子核。這一碰撞會(huì)散射原子核，進(jìn)而使之和周圍的原子核發(fā)生碰撞。由此科學(xué)家可以探測(cè)到這些相互作用所釋放出的熱量和閃光。對(duì)于暗物質(zhì)的直接探測(cè)實(shí)驗(yàn)一般都這設(shè)置于地底深處，以排除宇宙射線的背景噪聲。這類的實(shí)驗(yàn)室包括美國(guó)的Soudan mine和DUSE、加拿大的SNOLAB地下實(shí)驗(yàn)室、意大利的大薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Gran Sasso National Laboratory)以及英國(guó)的Boulby mine。2011年，大部分的實(shí)驗(yàn)使用低溫探測(cè)器或惰性液體探測(cè)器。低溫探測(cè)器是在低于100mK的環(huán)境下探射粒子撞擊鍺這類的晶體接收器所產(chǎn)生的熱。惰性液體探測(cè)器則是探測(cè)液態(tài)氙或液態(tài)氬中粒子碰撞產(chǎn)生的閃爍。低溫探測(cè)實(shí)驗(yàn)包括了CDMS、CRESST、EDEDWEISS及EURECA。惰性液體探測(cè)實(shí)驗(yàn)包含了ZEPLIN、XENON、DEAP、ArDM、WARP和LUX。這兩種探測(cè)技術(shù)都能夠從其他粒子與電子對(duì)撞的噪聲中辨識(shí)出暗物質(zhì)與核子的碰撞。其他種類的探測(cè)器實(shí)驗(yàn)有SIMPLE和PICASSO。方向性的暗物質(zhì)探測(cè)方式是運(yùn)用太陽(yáng)系繞行銀河系的運(yùn)動(dòng)。利用低壓TPC，我們可以得知反彈路徑的資訊，并借此去了解WIMP與原子核的作用。從太陽(yáng)行進(jìn)方向入射的WIMP訊號(hào)可以從各向同性的背景噪聲中分離出來(lái)。這類的探測(cè)實(shí)驗(yàn)包括有DMTPC、DRIFT、Newage和MIMAC。2009年12月17日，CDMS的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了兩個(gè)可能的WIMP事件。他們估計(jì)這兩起事件來(lái)自已知背景訊號(hào)(中子、錯(cuò)認(rèn)的β射線或是伽馬射線)的可能性是23%，并作出了這樣的結(jié)論：“這個(gè)分析結(jié)果無(wú)法被視作WIMP的有力證據(jù)，但我們不能排除這兩起事件來(lái)自WIMP的可能性。”2011年5月，CoGeNT實(shí)驗(yàn)公布先前15個(gè)月的探測(cè)結(jié)果，顯示粒子的碰撞率呈現(xiàn)周期性變化，夏天較高而冬天比較低，這可以看作是暗物質(zhì)存在的證據(jù)之一。這個(gè)結(jié)果支持已經(jīng)進(jìn)行了13年的意大利的DAMA/LIBRA暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)。CoGeNT的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，探測(cè)到的WIMP的質(zhì)量是中子質(zhì)量的5到10倍，這與某些其他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符，但是其他實(shí)驗(yàn)對(duì)低能暗物質(zhì)的探測(cè)精度沒(méi)有CoGeNT高。
間接探測(cè)
暗物質(zhì)的間接探測(cè)主要是觀測(cè)其兩兩湮滅時(shí)所產(chǎn)生的訊號(hào)。 由于其湮滅所產(chǎn)生的粒子與其暗物質(zhì)的模型有關(guān)，有許多種類的實(shí)驗(yàn)被提出。 假使暗物質(zhì)是馬約拉那粒子，則兩個(gè)暗物質(zhì)對(duì)撞會(huì)湮滅產(chǎn)生伽馬射線或正負(fù)粒子對(duì)。如此可能會(huì)在星系暈生成大量伽馬射線、反質(zhì)子和正電子。然而在完全了解其他來(lái)源的背景噪聲以前，這類的探測(cè)不足以當(dāng)作暗物質(zhì)的決定性證據(jù)。EGRET伽馬射線望遠(yuǎn)鏡過(guò)去觀測(cè)到了超出預(yù)期量的伽馬射線，但科學(xué)家認(rèn)為這多半是來(lái)自系統(tǒng)中的效應(yīng)。自2008年6月11日開(kāi)始啟動(dòng)的費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡則正在搜尋暗物質(zhì)湮滅產(chǎn)生伽馬射線的事件。在較高能量區(qū)間，地上的MAGIC伽馬射線望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)對(duì)矮橢球星系以及星系團(tuán)中的暗物質(zhì)給予了某些限制。
探測(cè)項(xiàng)目
CDMS低溫暗物質(zhì)搜尋項(xiàng)目（CDMS），旨在使用探測(cè)器探測(cè)粒子間的互動(dòng)，找到暗物質(zhì)粒子引起的運(yùn)動(dòng)。美國(guó)科學(xué)家在位于加利福尼亞大學(xué)校園的隧道里的實(shí)驗(yàn)室2009年檢測(cè)到了兩種可能來(lái)自于暗物質(zhì)粒子的信號(hào)。但他們同時(shí)表示，這些信號(hào)與暗物質(zhì)粒子的相似度不高。他們?cè)诿髂崽K達(dá)州的Souden煤礦地下約714米處安裝更高級(jí)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，以進(jìn)行二期低溫暗物質(zhì)搜尋項(xiàng)目（CDMSⅡ）。暗物質(zhì)現(xiàn)象會(huì)被進(jìn)入地球的宇宙射線干擾，要減少宇宙射線μ介子粒子的背景信號(hào)影響，xxx的辦法是到地底深處，這樣才有把握確認(rèn)暗物質(zhì)的構(gòu)成。AMSAMS也被稱為反物質(zhì)磁譜儀，配備了超導(dǎo)磁鐵和超高精度探測(cè)器，主要目的是探測(cè)宇宙中的反物質(zhì)和暗物質(zhì)，xxx臺(tái)AMS-01在1998年進(jìn)入軌道。科學(xué)家認(rèn)為阿爾法磁譜儀探測(cè)到的數(shù)據(jù)已經(jīng)打開(kāi)了一個(gè)全新世界的大門，這臺(tái)價(jià)值20億美元的儀器將揭開(kāi)宇宙中的暗物質(zhì)之謎，初步估計(jì)幾個(gè)月內(nèi)將公布重大的發(fā)現(xiàn)。宇宙的暗物質(zhì)被認(rèn)為只產(chǎn)生引力效應(yīng)，不參與電磁力作用，我們可見(jiàn)的宇宙物質(zhì)僅為4%，暗物質(zhì)則占了23%，其余的為暗能量。暗物質(zhì)的充斥著整個(gè)宇宙空間，將星系包圍，科學(xué)家已經(jīng)察覺(jué)到暗物質(zhì)的存在，但是從來(lái)沒(méi)直接觀測(cè)到它的存在。丁肇中團(tuán)隊(duì)使用的阿爾法磁譜儀(AMS)，是安置于太空中的精密粒子探測(cè)裝置，是至2013年以來(lái)靈敏度最高，也是最復(fù)雜、最昂貴的一臺(tái)暗物質(zhì)探測(cè)設(shè)備，代表了當(dāng)今科學(xué)實(shí)驗(yàn)的最高技術(shù)手段，由16個(gè)國(guó)家和地區(qū)的600余名科學(xué)家歷時(shí)近18年完成，耗資21億美元，實(shí)驗(yàn)過(guò)程可能持續(xù)15至20年。CCDM由于綜合了CCDM，標(biāo)準(zhǔn)模型在數(shù)學(xué)上是特殊的，盡管其中的一些參數(shù)至今還沒(méi)有被精確的測(cè)定，但是我們依然可以在不同的尺度上檢驗(yàn)這一理論。能觀測(cè)到的xxx尺度是CMB（上千個(gè)Mpc）。CMB的觀測(cè)顯示了原初的能量和物質(zhì)分布，同時(shí)觀測(cè)也顯示這一分布幾近均勻而沒(méi)有結(jié)構(gòu)。下一個(gè)尺度是星系的分布，從幾個(gè)Mpc到近1000個(gè)Mpc。在這些尺度上，理論和觀測(cè)符合的很好，這也使得天文學(xué)家有信心將這一模型拓展到所有的尺度上。探測(cè)成就2012年4月，密歇根大學(xué)的Katherine Freese與瑞典斯德哥爾摩大學(xué)的Christopher Savage 計(jì)算出了暗物質(zhì)和人體組織發(fā)生相互作用的幾率。Freese和Savage計(jì)算了在平均尺寸的人體中，有多少原子核與穿過(guò)的暗物質(zhì)粒子發(fā)生了碰撞。這里的平均尺寸，他們是指一塊主要由氫、氧、碳、氮等元素構(gòu)成的70公斤的肉塊。他們說(shuō)暗物質(zhì)與人體中氫原子核和氧原子核發(fā)生碰撞的可能性很大。關(guān)于暗物質(zhì)的一般假設(shè)認(rèn)為，碰撞一般每天發(fā)生大約30次，得到的計(jì)算結(jié)果是，地球上每個(gè)人每年要承受100000次的暗物質(zhì)粒子碰撞。2012年5月初，根據(jù)幾項(xiàng)暗物質(zhì)探測(cè)項(xiàng)目獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果顯示，平均大約1分鐘就會(huì)有一顆暗物質(zhì)粒子擊中人體。由于它們和常規(guī)物質(zhì)發(fā)生相互作用的幾率非常低，這當(dāng)然也就意味著WIMP的撞擊將不會(huì)給人體帶來(lái)什么大的風(fēng)險(xiǎn)。然而當(dāng)兩顆WIMP粒子相互撞擊時(shí)會(huì)發(fā)生湮滅反應(yīng)，在這一過(guò)程中所釋放出的能量就會(huì)大的多。美國(guó)密歇根大學(xué)下屬密歇根理論物理研究中心教授凱瑟琳·弗萊瑟(Katherine Frees)認(rèn)為：這兩顆粒子的質(zhì)量都相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的100倍，當(dāng)兩者相撞時(shí)，它們將擁有200倍質(zhì)子質(zhì)量的能量釋放。這將是非常劇烈的。如果這種WIMP粒子湮滅反應(yīng)發(fā)生在人體內(nèi)，它將可能導(dǎo)致對(duì)人體有害的突變。當(dāng)然，發(fā)生這種事件的概率非常低。它就是暗物質(zhì)，一個(gè)讓物理學(xué)界追尋半個(gè)多世紀(jì)的謎。但這個(gè)謎可能很快揭曉。當(dāng)?shù)貢r(shí)間3日，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、華裔物理學(xué)家丁肇中及其阿爾法磁譜儀項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)宣布，已借助阿爾法磁譜儀發(fā)現(xiàn)40萬(wàn)個(gè)正電子，這些正電子很可能就來(lái)自人類一直尋找的暗物質(zhì)。安裝于空間站上的阿爾法磁譜儀（AMS），科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與暗物質(zhì)有關(guān)的線索，低溫暗物質(zhì)搜尋、大型地下氙氣實(shí)驗(yàn)等都在努力尋找暗物質(zhì)的蹤影。阿姆斯特丹大學(xué)天體物理學(xué)家Christoph Weniger認(rèn)為已經(jīng)有跡象表明我們已經(jīng)探測(cè)到暗物質(zhì)粒子，費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡正在對(duì)銀河系中央天區(qū)進(jìn)行掃描。費(fèi)米空間望遠(yuǎn)鏡升空以來(lái)，已經(jīng)被用于多個(gè)領(lǐng)域的觀測(cè)，其中包括對(duì)脈沖星和超大質(zhì)量黑洞的發(fā)現(xiàn)任務(wù)，探索此類天體與伽瑪射線之間的關(guān)系。哈佛大學(xué)天體物理學(xué)家道格·芬克拜納認(rèn)為費(fèi)米空間望遠(yuǎn)鏡為暗物質(zhì)探索提供了一個(gè)新的途徑，我們已經(jīng)開(kāi)始了一個(gè)新的觀測(cè)戰(zhàn)略，答案將在2015年揭曉。科學(xué)家們希望確定銀河系中央附近是否存在其他類型的伽瑪射線，這些“光束”可能處于130GeV左右的能量區(qū)間上，對(duì)此，科學(xué)家也假設(shè)了是否是儀器問(wèn)題導(dǎo)致的觀測(cè)異常，加州大學(xué)天體物理學(xué)西蒙娜·穆?tīng)栙Z稱除了130GeV的光子外，我們還在2-3GeV能量區(qū)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)了低能伽瑪射線。粒子與介子行為類似暗物質(zhì)占宇宙中物質(zhì)總量的絕大多數(shù)，而且無(wú)法被直接觀測(cè)到，到目前為止，暗物質(zhì)被認(rèn)為不與任何物質(zhì)發(fā)生相互作用，除了引力作用之外。雖然暗物質(zhì)構(gòu)成了宇宙物質(zhì)的大多數(shù)，但我們對(duì)此知之甚少，最新的研究認(rèn)為天文學(xué)家一直尋找的暗物質(zhì)方式可能是錯(cuò)誤的，該理論認(rèn)為暗物質(zhì)的行為就像是1930年代發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子，我們稱之為介子。自從時(shí)間在宇宙中有了意義之后，暗物質(zhì)被認(rèn)為是無(wú)處不在的。科學(xué)家在發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)時(shí)確認(rèn)，在宇宙中的一些星系，可產(chǎn)生更強(qiáng)大的引力控制，但計(jì)算出的物質(zhì)卻又偏少，這導(dǎo)致了暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)。由于暗物質(zhì)不發(fā)光，僅通過(guò)引力與其他物質(zhì)發(fā)生作用，這是我們對(duì)暗物質(zhì)的理解。在過(guò)去，科學(xué)家還認(rèn)為暗物質(zhì)代表的是一種奇異粒子，能夠在不同維度上進(jìn)出，東京大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的物理學(xué)家小組發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)可能沒(méi)那么奇特，他們認(rèn)為暗物質(zhì)粒子就像是介子類粒子行為。過(guò)去的理論認(rèn)為暗物質(zhì)聚集在星系中央，最新理論認(rèn)為暗物質(zhì)可均勻分布在星系內(nèi)。加州大學(xué)物理學(xué)教授認(rèn)為，我們已經(jīng)見(jiàn)過(guò)這樣的粒子，新的理論預(yù)測(cè)暗物質(zhì)能夠進(jìn)行自身的交互作用，并分布在星系或者整個(gè)星系群中。對(duì)此，科學(xué)家認(rèn)為我們可能基于這點(diǎn)明白暗物質(zhì)為什么存在，并影響后續(xù)對(duì)暗物質(zhì)的搜索。
