暗物质候选者

目前，粒子物理的标准模型里面不存在这么一种粒子符合暗物质的特征。如果暗物质是粒子，就只能从超出标准模型的物理理论里面去寻找，当然，这些理论都是没有经过验证的，只有通过实验才能对这些理论是否正确进行判断。目前，关于暗物质本质有种种假说，每一种都有其自己的合理性，其中有五种热门的暗物质候选者。

3.5.1 弱相互作用重粒子

弱相互作用重粒子(Weakly Interacting Massive Particles，简称WIMPs)是最热门的候选者。粒子只通过弱核力和引力产生相互作用，或者粒子的相互作用截面小于弱核力作用截面；与普通粒子相比质量较大。由于它们不参与电磁力作用，因此无法被直接探测到；由于它们不参与强核力作用，因此它们基本上与可见物质不发生相互作用；由于它们质量较大，运动的速度相对缓慢，因而能够成团聚集。根据以上特点，WIMPs被认为是最有可能的“冷暗物质”候选者。现在很多实验正在寻找在理论上的WIMPs粒子，各种在地下的实验设备都在等着一颗WIMP撞击原子核并引起一次反弹的时刻到来。这样的实验必须在地下进行，以防止宇宙射线干扰结果。然而对WIMPs的探测却极其令人失望，迄今为止并没有探测到这种粒子的存在。

3.5.2 轴子

轴子是一种非常轻且运动也非常慢的粒子。它们本来是为了解释强相互作用中的电荷宇称守恒问题而提出的，如果它们的质量在某个区间内，就是非常好的暗物质候选者。它们和可见物质有微弱的相互作用。如果探测到这种奇异的闪光，有可能证实其存在。和WIMPs一样，轴子是可能在地球上进行探测的。轴子是超电子对撞后的一种“次级”粒子，也是在玻色子能级的“衍射+辐射”能量丢失“逃逸”极化的“斥力子”。轴子以一种能量轴线沿“一维度时空”做线性跃迁角动量运动，轴子也可以理解为“磁单极粒子”的轨迹跃迁的物理测量观测。轴子的本征态强关联着暗物质粒子。轴子的推斥力单极特性决定了它只能做一维度线性方程的斥力运动，所以轴子的概念强关联着“磁单极粒子”、“中微子粒子”、“暗物质粒子”和“斥力子”的统称，轴子在大统一理论中起重要作用。轴子间通过极微小的力相互作用，以一种极短的“极化短波”做推力。由此，它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态。目前，轴子探测器已经建造完成，探测工作正在进行。

3.5.3 晕族大质量致密天体

晕族大质量致密天体(MAssive Compact Halo Objects，简称 MACHOs)，又名大质量致密晕天体。可以通过与其它天体的引力透镜作用间接地观测到MACHOs。20世纪80年代，普林斯顿大学的波兰天文学家帕琴斯基讨论了银河系晕中不发光的暗天体作为微引力透镜的可能性，认为它们有很高的几率被观测到，这些天体叫做MACHOs。1996年，美澳MACHO计划小组发现银河系晕的大部分含有MACHOs，有力证据来自对7个新的大质量晕天体的发现。并通过大麦哲伦云引力透镜效应，来确定这些幽灵天体的性质。这些MACHOs的质量从0.1太阳质量到1个太阳质量不等。这些小组已排除了用MACHOs解释暗物质，大量的这类天体的质量在0.00000001个太阳质量到100个太阳质量之间。这表明MACHOs可能是白矮星或红矮星，或其它类似的天体。不过白矮星或红矮星并不是完全黑暗的，它们也能发一些很弱的光。根据使用哈勃太空望远镜(HST)的近红外线照相机和多目标分光仪(NICMOS)观察，只有不到1%的银河系晕是由红矮星组成，只能对应暗物质晕的一个微不足道的小部分，所以失踪物质的问题仍然不能完全由MACHOs解决。

3.5.4 KK粒子

KK粒子(Kaluza-Klein)是由同名的物理理论所预言的一种粒子。在量子力学尚未完全建立的1921年，为了统一电磁力和引力，可普查引入了额外维的想法。在很多额外维模型中，平常的3+1维时空被称为膜，它被嵌入在3+δ+1维的被称为bulk的时空中。额外维被卷缩在很小的尺度而感受不到，甚至现在的高能物理实验也远不能探测到，但通过量子效应，额外维会对宇宙产生影响。在很多额外维模型中，标准模型粒子被束缚在膜上，只有引力子可以不受膜的束缚在bulk中传播。而在普遍的额外维模型(UED，universal extra dimensions)中如果额外维很小，所有的场都可以自由地在bulk中传播。

这种理论认为空间有额外的维度并且在每个时空点卷曲起来。KK粒子的质量大约是550到650个质子那么重，它们能够和可见物质发生引力和电磁相互作用，但是由于它们藏在卷曲的额外空间维度里面，所以在太空中看不到它。所幸的是，它能够衰变成所能观测到的粒子，但是现在的大型对撞机实验还没有找到这方面的迹象。

3.5.5 超引力子

超引力子又称引力微子，是费米子。超引力子目前还是一种假想粒子，不过各种各样的粒子撞击器仍在探寻超对称粒子，包括引力微子。这是广义相对论和尚未被实验验证的超对称理论所结合的一种产物。根据超对称理论，所有的已知粒子都有其超对称的对应粒子，其自旋相差1/2。超引力子是假设中的“引力子”的超对称伙伴。在某些超对称理论当中，超引力子是最轻的超对称粒子，可能是暗物质的候选者。

3.6 探测手段

目前世界上对暗物质的探测主要可分成直接，间接和加速器三个方面。直接探测放在很深的地下，以屏蔽干扰；间接探测可以在地面，也可以在太空。探测的对象是暗物质粒子与物质作用产生的信号，或是湮灭产生的次级粒子信号。

3.6.1 直接探测

如果银河系晕中含有WIMPs，那么地球表面每平方厘米在每一秒钟都会有数百乃至数千个WIMPs穿过，所以，探测这些WIMPs是暗物质存在最有说服力的证据。WIMPs在穿过地球时，有一定的概率与地球上的原子发生弹性碰撞，从而引起原子的反冲，地基试验可以探测这种反冲信号，进而确认WIMPs的存在。但是，因为WIMPs与可见物质的相互作用极弱，想要获得这种信号非常困难。

地基探测试验设备都被深埋在地下，从而可以最大程度地降低宇宙线等其它粒子与原子碰撞作用信号的干扰。当前主要的探测技术有两种：低温探测器，工作在100km以下的探测器，探测WIMPs碰撞晶体（如锗等）时产生的热量；诺布尔液体(Nobleliquid)探测器，探测WIMPs碰撞液态氙或氩引起的闪光。

3.6.2 间接探测

如果WIMPs被宇宙天体俘获湮灭产生等次级粒子，这样可以通过                                               连续谱的截断来寻找暗物质，间接法就是通过探测这些次级粒子来确认WIMPs的。一种有效的方法是通过探测在太空中湮没粒子所产生的单能峰或e能谱边缘来识别WIMPs。

3.6.3 加速器探测

在加速器上把普通粒子加速到高能，通过碰撞将暗物质粒子制造出来，并研究其物理特性。但是暗物质粒子即使被制造出来也不会被探测器发现，所以只能通过其他可见粒子的损耗能量来推断出是否有这样的粒子产生。

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可达14万亿电子伏特。借助对撞试验，有希望发现暗物质粒子存在的证据。但要在加速器上进行暗物质实验，需要很高的能量，至今所有的加速器实验还没有发现暗物质粒子的迹象。

全世界每年花费大量经费寻找暗物质，但都走进了误区。普遍认为暗物质不发光、不参与电磁作用。然而背景辐射的探测表明，暗物质参与电磁作用。且暗物质密度分布显著影响暗物质的传播方向。如果不走出误区，只会耗费大量金钱，根本找不到暗物质。

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