你知道宇宙80%以上的质量是未知的吗？我们所知道的那很小一部分是由行星、恒星组成的，包括我们人类的星球，但宇宙的大部分是由未知的质量组成的。这个未知的质量究竟是什么，因为它从未被直接探测到过，这是物理学家今天面临的一个重大问题。

尽管这个未知的物质从未被探测到，但它确实有一个名字：暗物质。

但是等等，如果它从未被检测到，我们怎么知道它的存在呢？

根据观测结果，天体物理学家发现，根据现有已知"明亮"物质的计算，星系的旋转速度比预期快得多，也就是说，在发光的恒星中不应该有足够的引力将星系聚集在一起。然而，星系很少解体，很明显还有其他的引力源将所有的东西聚集在一起。

这种神秘物质被称为暗物质。

但暗物质又是什么呢？

多年来有许多粒子成为候选者：轴子、引力子等，但目前理论上最有希望的粒子还是WIMP，即弱相互作用的大质量粒子。"弱相互作用"的发生十分微弱，很难被发现。

这是一幅图片：太阳系和它的行星，像地球一样，沐浴在一个微弱的光环中，在周围飞行，偶尔与普通物质的原子核相互作用。

当然，为了探究她到底是什么，科学家已经做出了很多努力，在世界各地建造的地下实验室中试图能够探测到它，并在大型强子对撞机中"制造"它，类似于在大爆炸中的被创造一样。到目前为止，所有这些尝试都失败了，暗物质仍然像以往一样难以捉摸。

如果它比预期的更难以捉摸和/或其属性并不能受到传统人类的搜索或寻找方式而被发现，那该怎么办？科学界最新提出了扩大探测参数空间，特别是低质量暗物质粒子的新思路，极大地提高了探测灵敏度。

暗物质是与可见物质相对的物质，就是不参与电磁相互作用的物质，中微子就是一种暗物质，大家耳熟能详的黑洞事实上也是一种暗物质。但这两种常见的暗物质只占我们推测出的暗物质总量的1%。

人类目前可以通过星系团的质量、星系旋转曲线、引力透镜效应观察、宇宙微波北京辐射等方式观测到暗物质。

一、用星系团的质量观测到暗物质。星系团的质量可以用两种方式计算：光度质量和动力学质量。理论上这两种方式计算出的星系团质量应该是相差不大，但事实上不可思议的是用光度质量计算出的星系团质量远远小于动力学质量计算出的。这就说明一个事实：宇宙中存在发光物质和不发光物质（暗物质），且这个暗物质的数量远大于发光物质的数量。这是观测暗物质的证据。

二、用星系旋转曲线观测到暗物质。理论上，星球离开星系中心越远，转速越慢，然而事实上，在星系外缘的星球的旋转速度与靠近星系中心的星球的转速几乎一样，这种情况下如果没有被某种看不见的物质吸引，这些外缘高速旋转的星球将被离心力甩出星系，事实上并没有发生这种事，所以这意味着存在某种暗物质，所以这也一种重要的暗物质观测数据。

三、通过引力透镜效应观测到暗物质。通过引力透镜效应观测到的星系质量分布比仅用X射线信号反映出的可见物质的分布广，可见，可见物质只是星系团质量的一部分，星系团存在大量的不可见的暗物质。

四、用宇宙微波背景辐射观测到暗物质。宇宙微波是宇宙大爆炸留下来的光，这些光已经充满了整个宇宙。用探测卫星探测这些光，可以看到这些光的分布图，从而观测到各种物质的组成比例。结果是暗物质的占比远大于可见物质5倍多。

随着科技的发展，相信会有更多的暗物质的观测手段出现，进而解密暗物质的奥秘。

虽然每秒钟，都有几百个暗物质粒子穿过我们的身体，但因为暗物质不进行电磁相互作用，我们的大部分探测设备都无法探测到它的存在，所以这种看不见的物质探测起来十分困难。当然，科学家们的目前探测暗物质的主要方法可以被分为三种：加速器探测、间接探测和直接探测。

加速器探测实验

第一种是在地面加速器上通过加速粒子到极高能段并互相碰撞，打出新粒子，将暗物质粒子“创造”出来，并研究其物理特性。

欧洲大型强子对撞机是目前世界上最大的强子对撞机，它的设计目标是将两个反向回旋的质子束流进行对撞，质子束流的总能量最高达14万亿电子伏特。最新运行能量达到设计能量的一半，7万亿电子伏特，这也是迄今最高能量的质子束流对撞试验。对照宇宙大爆炸理论，大型强子对撞机的对撞试验可望创造出与宇宙大爆炸之后万亿分之一秒时状态，这种极高的碰撞能量会产生异常粒子，包括暗物质粒子。借助对撞试验，有希望发现暗物质粒子的存在证据。但要在加速器上进行暗物质实验，需要很高的能量。至今所有的加速器（包括欧洲大型强子对撞机）实验还没有发现暗物质粒子的迹象。所以取得突破必须要能量更高的加速器。由于加速器的巨大规模、技术复杂度以及高昂的造价，这种加速器在全球也只有个别设施。

目前世界上最大的强子对撞机——欧洲大型强子对撞机。图片来源：CERN

地下直接探测实验

第二种方法是直接探测法。该方法直接探测来自宇宙空间的暗物质粒子和原子核碰撞所产生的信号。由于发生这种碰撞的概率很小，产生的信号也很“微弱”。为了降低本底，通常需要把探测器放置在很深的地下，因此这类技术路线也被人们统称为地下探测。暗物质直接探测实验是在目前寻找暗物质粒子的各类实验手法中采用得最多的一种探测方式，其中比较活跃的实验有美国的CDMS、意大利等国的DAMA等。

中意合作DAMA实验直接观测暗物质粒子与原子核作用后产生的反冲原子核能谱。他们宣称发现了一个时间调制现象，因为地球绕太阳公转，使得地球与暗物质粒子的相对速度随季节变化，在每年的6月份可能通过一个较高的暗物质粒子流强，而在每年的12月份可能通过一个较低的暗物质粒子流强。问题是该结果并没有被其他实验所证明，许多人怀疑该结果有可能是一个系统误差，来自于探测器的温度，由于湿度效应或者是地球大气热胀冷缩现象导致了宇宙线次级粒子涨落。2008年，中意合作课题组（DAMA/LIBRA）宣布他们的地下实验证实了以前的周期性变化现象。                                                              空间间接探测实验——AMS-02在国际空间站吊装 图片来源：NASA

地下直接探测实验——DAMA/LIBRA实验

2009年12月18日，美国CDMS地下实验项目组宣布发现2个可能与暗物质粒子有关的事件，但可信度只有75%。CDMS所用的探测器被埋在明尼苏达深达766码（700米）的地下，周围的岩石、塑料、铅、铜和其他物质被用来阻止除暗物质之外的其它宇宙粒子到达探测器，这样可能就降低了产生信号的背景。探测器本身不大，跟冰球相仿，主要由锗元素和硅元素构成。如果锗原子或硅原子的一个原子核被暗物质粒子碰到，它就会反弹并给探测器发出一个信号。要确信是暗物质，两个信号还是太少了，因为经过计算得知其中的一个信号事件来自于背景噪声。CDMS研究小组打算将他们的探测器升级到更为灵敏的水平，以期待发现更为实质性的暗物质信号。

目前大约有几十个科学小组在期待通过实验发现暗物质接近普通物质原子的那一刻，其中美国南达科他州Sanford地下研究设施的大型地下氙探测器实验（LUX）的灵敏度是最高的，LUX探测器位于一座废弃金矿地下4580英尺（约合1400米），内装大约1/3吨的液态氙。2021年11月，LUX团队研究人员宣布，他们在实验中没有发现轻量级暗物质粒子的迹象。在地下实验上，暗物质看来比很多人以前所认为的更难被发现。

空间间接探测实验

第三种办法称为暗物质的间接探测法。间接法观测暗物质粒子在宇宙空间发生湮灭或衰变之后产生的稳定粒子如伽玛射线，正电子，反质子，中微子等。根据目前的理论模型，暗物质粒子衰变或相互作用后可能会产生稳定的高能粒子，如果我们能够精确测量这些粒子的能谱，可能会发现暗物质粒子留下的蛛丝马迹。

参与空间探测实验的包括ATIC南极气球实验，PAMELA空间探测器和FERMI伽玛射线望远镜等。而最新的空间间接探测试验结果主要来自于诺贝尔奖获得者、物理学家丁肇中主持的AMS项目中重达七吨的宇宙射线探测器——阿尔法磁谱仪2号 (AMS-02)。

空间间接探测实验——AMS-02在国际空间站吊装 图片来源：NASA

空间间接探测实验——AMS-02在国际空间站吊装 图片来源：NASA

（1）伽玛射线观测结果

在早期的高能伽玛射线观测中，EGRET发现银心伽玛射线在GeV处观测流量比理论模型高40%左右。有人认为该“超”可能与暗物质有关。但更多的人认为该“超”更可能是宇宙射线问题，与暗物质无关。

空间间接探测实验——FERMI伽玛射线空间望远镜

2009年FERMI卫星上天后证实该“超”并不存在。 2021年FERMI公布卫星上天一年的伽玛射线观测数据，没有探测到与暗物质粒子有关的任何明显信号。

（2）电子和正电子观测结果

2008年以中美科学家为主的ATIC探测器发表了宇宙高能电子观测结果。ATIC发现高能电子流量在300-800GeV能区间与理论模型相比高了将近3倍。该结果在低能部分被欧洲的PAMELA正电子实验证认。这些“超”可以被解释为暗物质粒子湮灭或衰变的产物。 当然，目前的观测结果还不够精确，还不能排除附近天体的贡献。

ATIC结果表明电子的观测科学意义重大，许多原初观测目的不是电子的探测器都开始进行电子测量。2009年5月FERMI伽玛射线望远镜FERMI公布了其半年的电子观测数据，部分证实了ATIC发现的宇宙射线超出现象。地面最大伽玛射线望远镜HESS的观测结果表明，高能电子能谱在TeV附近存在拐点，这与ATIC发现的现象类似。

目前的观测结果表明，ATIC，PAMELA，FERMI，HESS几个探测器的观测数据与理论模型相比都存在“超”，但“超”的具体形态存在一些差别。由于ATIC，FERMI，HESS这三个探测器本来都不是专门设计来观测电子的。在电子观测方面都存在弱点。ATIC是气球观测，由于其飞行高度相对较低，无法扣除宇宙射线与大气产生的本底。另外，探测器的有效面积很小，受到气球飞行时间所限制的观测时间也很短，统计精度不高。FERMI的主要目的是伽玛射线天文，由于量能器厚度不够包含整个电磁级联蔟射，能量分辨本领很差。HESS是地面测量，本底抑制和能量分辨是其主要弱点，系统误差很大。

2021年6月9日，欧洲核子研究中心巨型AMS粒子探测器团队的科学家发布了关于AMS发现的最新公告，第一批数据证实了大约40万个正电子的信息，推测可能来自暗物质粒子湮灭。报告中披露，安装在国际空间站上的阿尔法磁谱仪（AMS-02）已经检测到暗物质湮灭的“痕迹”。作为AMS的首席科学家，丁肇中认为需要更多的数据进行研究，在未来几个月内，AMS的数据将告诉我们这些突然出现的正电子信号是否与暗物质有关，目前还不能排除它们是由一些其他宇宙源产生的可能性。

（3）反质子观测结果

宇宙中的反质子主要产生于宇宙射线作用后的次级产物，所以通过测量反质子能谱可以寻找到暗物质粒子存在的证据。PAMELA上天3年的观测数据表明，反质子能谱基本与宇宙线次级能谱吻合很好，没有探测到异常特征。而来自AMS-02的最新反质子比例数据，疑似存在超出。

综上所述：现有的加速器实验还没有给出明确结果；地下实验也没有给出确定的结果，但CDMS探测到2个事件，DAMA/LIBRA探测到的年调制现象没有得到更灵敏的XENON100和LUX实验的确认；空间实验ATIC和PAMELA两个实验中电子的能谱测量结果，都表明在几十到数百GeV的能段内，所测的能谱较传统模型有着显著的超出，同时PAMELA正电子实验证明了该异常的存在，但相关的反质子测量实验中并没有发现异常。要解释这两个现象，必须对暗物质粒子模型提出特殊的要求。在上述3类主要途径中，空间探测是突破迹象最明显的，我国的科学思想和探测方法在这个突破中其中起到了主导作用。当然，目前的观测结果由于精度不够，下结论还早需要新的实验。

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1、引力透镜法
2、旋涡星系的旋转曲线
3、星系中的恒星或星系团中的星系的速度弥散
4、星系团(及椭圆星系)的X射线气体的流体静力学平衡方法
5、星系团的苏尼亚耶夫-泽尔多维奇效 间接探测WIMP。WIMP偶尔会撞上一个原子核。这一碰撞会散射原子核，进而使之和周围的原子核发生碰撞。由此科学家可以探测到这些相互作用所释放出的热量和闪光。对于暗物质的直接探测实验一般都这设置于地底深处，以排除宇宙射线的背景噪声。这类的实验室包括美国的Soudan mine和DUSE、加拿大的SNOLAB地下实验室、意大利的大萨索国家实验室(Gran Sasso National Laboratory)以及英国的Boulby mine。
2021年，大部分的实验使用低温探测器或惰性液体探测器。低温探测器是在低于100mK的环境下探射粒子撞击锗这类的晶体接收器所产生的热。惰性液体探测器则是探测液态氙或液态氩中粒子碰撞产生的闪烁。低温探测实验包括了CDMS、CRESST、EDEDWEISS及EURECA。惰性液体探测实验包含了ZEPLIN、XENON、DEAP、ArDM、WARP和LUX。这两种探测技术都能够从其他粒子与电子对撞的噪声中辨识出暗物质与核子的碰撞。其他种类的探测器实验有SIMPLE和PICASSO。
方向性的暗物质探测方式是运用太阳系绕行银河系的运动。利用低压TPC，我们可以得知反弹路径的资讯，并借此去了解WIMP与原子核的作用。从太阳行进方向入射的WIMP讯号可以从各向同性的背景噪声中分离出来。这类的探测实验包括有DMTPC、DRIFT、Newage和MIMAC。
2009年12月17日，CDMS的研究团队发表了两个可能的WIMP事件。他们估计这两起事件来自已知背景讯号(中子、错认的β射线或是伽马射线)的可能性是23%，并作出了这样的结论：“这个分析结果无法被视作WIMP的有力证据，但我们不能排除这两起事件来自WIMP的可能性。”
2021年5月，CoGeNT实验公布先前15个月的探测结果，显示粒子的碰撞率呈现周期性变化，夏天较高而冬天比较低，这可以看作是暗物质存在的证据之一。这个结果支持已经进行了13年的意大利的DAMA/LIBRA暗物质探测实验。CoGeNT的实验结果显示，探测到的WIMP的质量是中子质量的5到10倍，这与某些其他的实验结果不符，但是其他实验对低能暗物质的探测精度没有CoGeNT高。 暗物质的间接探测主要是观测其两两湮灭时所产生的讯号。 由于其湮灭所产生的粒子与其暗物质的模型有关，有许多种类的实验被提出。 假使暗物质是马约拉那粒子，则两个暗物质对撞会湮灭产生伽马射线或正负粒子对。如此可能会在星系晕生成大量伽马射线、反质子和正电子。然而在完全了解其他来源的背景噪声以前，这类的探测不足以当作暗物质的决定性证据。
EGRET伽马射线望远镜过去观测到了超出预期量的伽马射线，但科学家认为这多半是来自系统中的效应。自2008年6月11日开始启动的费米伽马射线太空望远镜则正在搜寻暗物质湮灭产生伽马射线的事件。在较高能量区间，地上的MAGIC伽马射线望远镜已经对矮椭球星系以及星系团中的暗物质给予了某些限制。 CDMS
低温暗物质搜寻项目（CDMS），旨在使用探测器探测粒子间的互动，找到暗物质粒子引起的运动。美国科学家在位于加利福尼亚大学校园的隧道里的实验室2009年检测到了两种可能来自于暗物质粒子的信号。但他们同时表示，这些信号与暗物质粒子的相似度不高。他们在明尼苏达州的Souden煤矿地下约714米处安装更高级的实验室设备，以进行二期低温暗物质搜寻项目（CDMSⅡ）。暗物质现象会被进入地球的宇宙射线干扰，要减少宇宙射线μ介子粒子的背景信号影响，唯一的办法是到地底深处，这样才有把握确认暗物质的构成。
AMS
AMS也被称为反物质磁谱仪，配备了超导磁铁和超高精度探测器，主要目的是探测宇宙中的反物质和暗物质，第一台AMS-01在1998年进入轨道。科学家认为阿尔法磁谱仪探测到的数据已经打开了一个全新世界的大门，这台价值20亿美元的仪器将揭开宇宙中的暗物质之谜，初步估计几个月内将公布重大的发现。宇宙的暗物质被认为只产生引力效应，不参与电磁力作用，我们可见的宇宙物质仅为4%，暗物质则占了23%，其余的为暗能量。暗物质的充斥着整个宇宙空间，将星系包围，科学家已经察觉到暗物质的存在，但是从来没直接观测到它的存在。
丁肇中团队使用的阿尔法磁谱仪(AMS)，是安置于太空中的精密粒子探测装置，是至2021年以来灵敏度最高，也是最复杂、最昂贵的一台暗物质探测设备，代表了当今科学实验的最高技术手段，由16个国家和地区的600余名科学家历时近18年完成，耗资21亿美元，实验过程可能持续15至20年。
CCDM
由于综合了CCDM，标准模型在数学上是特殊的，尽管其中的一些参数至今还没有被精确的测定，但是我们依然可以在不同的尺度上检验这一理论。能观测到的最大尺度是CMB（上千个Mpc）。CMB的观测显示了原初的能量和物质分布，同时观测也显示这一分布几近均匀而没有结构。下一个尺度是星系的分布，从几个Mpc到近1000个Mpc。在这些尺度上，理论和观测符合的很好，这也使得天文学家有信心将这一模型拓展到所有的尺度上。

科学家表示，暗物质之所以叫做暗物质，是因为它并不和任何光源产生作用，想要探测到，就必须把暗物质探测器在越暗的地方越好。

暗理论-雷电计划

侧向星系NGC 891。这样的银盘的存在需要暗物质。作者:R. Jay GaBany, 宇宙结构学。

之前的文章都对暗物质理论提出了质疑。

天文学家认为，空间中肯定存在着一种不可探测的影响，因为螺旋星系边缘的恒星与靠近其中心的恒星以相同的角速度旋转。牛顿理论认为，离中心越远的恒星运动速度越慢，因此“额外的引力”是必要的。因为提供这种力量的东西是看不见的，所以创造了“暗物质”这一名词来纠正他们的错误。

许多不同的实验都试图找到这些难以捉摸的粒子，但都没有成功。由于外来晶体和低温探测器无法找到暗物质的任何证据，科学家们开始使用量子物理学；试图制造对他们的理论更敏感的仪器。

弱相互作用大质量粒子(WIMP)是暗物质的主要亚原子候选者。低温暗物质研究中心(CDMS)建造了一个被认为能“看到”大质量弱相互作用粒子的探测器。它什么也看不到，所以它被升级为超级CDMS。超级CDMS受到来自宇宙射线和其他电离源的错误读数的困扰。在15年后，没有任何东西与探测器发生碰撞。

轴子是另一种可能存在的假想粒子。轴子暗物质实验(ADMX)使用了一个超导磁体。ADMX是一种axion haloscope，它利用磁场将轴子转换成可探测的光子。ADMX G2实验是唯一一个寻找轴子的实验。与超级CDMS一样，ADMX也面临着同样的问题：电子设备会产生信号，而这些信号是ADMX必须过滤掉的干扰波。温度的变化也会产生干扰波，因为热量会辐射红外光。即使在4.2开尔文的寒冷环境下，调整探测器仍然是不可能的。

大型地下氙气实验(LUX)使用液体氙气作为“闪烁剂”。在LUX实验中，光电倍增管非常灵敏，可以探测到氙气容器周围的单个光子。没有结果。

由于固体物质大部分是空的空间，暗物质的相互作用只会在数不清的数万亿个原子核中发生一次。因此，需要包含更多探测材料的更大仪器。电宇宙理论提出了一种不同的宇宙观。早在1981年，天体物理学家汉斯·阿尔文就提出了“电星系”理论。阿尔文说，星系就像单极电动机。单极电机是由圆形铝板或其他导电金属感应磁场驱动的。金属板放置在电磁铁的两极之间，使其以与输入电流成比例的速度旋转。

银盘就像电动机里的极板。伯克兰电流在它们内部流动，为它们的恒星提供动力。反过来，星系是由星系间的伯克兰电流驱动的，这些电流可以通过它们的无线电信号检测到。由于伯克兰电流以1r的关系相互吸引，当流经等离子体的电流被认为是一种吸引力时，暗物质可以被排除。