暗物质

文观测表明宇宙中存在大量未能直接观测到的不发光物质,我们可以通过引力作用推知其存在,故称之为暗物质。暗物质最初是由瑞士天文学家Fritz Zwicky1993年观察大型星系团中星系运动速度时提出的。此后,天文学家发现了更多的证据,例如,球状星系旋转速度的测量、引力透镜、宇宙大尺度结构、微波背景辐射的测量等都证实了暗物质的存在。

现在的宇宙学标准模型和大爆炸理论认为,我们的宇宙是由普通物质、暗物质、暗能量组成的,根据Planck对宇宙微波背景辐射的最新测量结果,普通物质仅占到整个宇宙的4.9%,暗物质占到26.8%,剩下的68.3%则是暗能量。

那么暗物质究竟是什么?我们还不得而知,但可以根据其存在的证据列出暗物质所应该具有的性质。首先,说明暗物质不能具有电磁相互作用和强相互作用;物质则要求暗物质具有一定的质量,可以发生引力相互作用,可能存在弱相互作用;其次,暗物质应该具有很长的寿命,至少和宇宙的年龄相当,否则暗物质会在宇宙演化过程中发生衰变,不会留存到现在了;另外从宇宙大尺度结构的形成来看,大部分暗物质应该属于冷暗物质,即属于非相对论性物质。

随着人们对暗物质理论和实验研究的深入,逐步认识到暗物质主要是由非重子暗物质构成。在众多的暗物质理论模型中,超对称理论提出的弱相互作用重粒子(WIMP)是最有希望的候选者,受到了理论和实验物理学的高度关注。WIMP是从宇宙大爆炸早期退耦合出来的温度较低的粒子,运动速度较慢而且寿命非常长,与其他物质的相互作用截面约为弱作用量级,质量在1~1000GeV范围内。因此,WIMP的探测和研究已经成为当前国际暗物质实验研究领域的主要研究目标和内容。