科普：暗物质

宇宙中只有大约5%的物质和能量是由构成从恒星到行星再到人类的一切熟悉的物质构成的。剩下的95%是未知的，其中大约三分之一被称为“暗物质”，三分之二被称为“暗能量”。虽然科学家们还没有在地球上的实验室里直接探测到它，但暗物质的存在已经从它的引力效应中推断出来，这种引力效应影响着从单个星系一直到整个可观测宇宙的尺度系统。

暗物质的普遍性和物理效应确保了它在宇宙学理论中的重要地位，因为它在定义宇宙结构和将所有星系（包括我们的银河系）联系在一起方面发挥了关键作用。现代天体物理学和粒子物理学理论认为，暗物质以一种尚未被发现的基本粒子的形式存在。

暗物质在宇宙中无处不在，所以暗物质在地球上也很普遍也就不足为奇了。根据附近恒星的运动，宇宙学理论预测，在我们附近的每一个咖啡杯大小的空间中大约有一个暗物质粒子。直接识别暗物质粒子将在最大的天文尺度和地球上实验室研究的微观尺度的物理学之间建立牢固的联系。

为了更好地了解我们的宇宙，通常有必要估计天体物理物体的质量。这些天体的大小不一，从太阳到我们的星系，再到整个宇宙。研究人员使用多种技术来测量超大物体的质量。估计物体质量的一种方法是观察它的光输出。如果物体本身不发光，研究人员就可以研究背景光源在物体周围弯曲的方式。另一种技术是检查周围物体的动态运动。

长期以来，人们一直认为，通过这些技术估算出的质量会彼此一致。然而，在过去的80年里，很明显，对于星系或更大尺度的物体，其质量超过了其发光成分的质量。这种额外的质量，不能用我们所知道的发光物质来解释，这就是“暗物质”的由来。

观察暗物质的影响

暗物质的本质仍然是神秘的，因为到目前为止，我们还不能直接看到它；相反，我们间接观察到它对宇宙大尺度结构和动力学的影响。新的基本粒子类别在理论上构成了暗物质；这些范围从标准模型的超对称扩展中的粒子到被认为出现在弦理论中的光“轴子”场。

暗物质粒子的性质，包括它的质量和与正常物质的相互作用，影响着宇宙结构的形成和发展。KIPAC的科学家们利用对星系、大尺度结构和引力透镜的观测来检验暗物质理论。这项研究将暗物质粒子的微观特性与其对宇宙中最大可观测尺度的影响联系起来。

寻找暗物质粒子

许多暗物质模型预测，两个相互碰撞的暗物质粒子可以自我湮灭，以可探测的基本粒子（如光子、电子或中微子）的形式释放能量。这些湮灭产物通常具有很大的能量，其范围可达伽马射线光子的发射。KIPAC的研究人员正在使用来自费米大面积望远镜（LAT）的伽马射线数据来寻找暗物质湮灭产物。天体物理前景（即，已知粒子的伽马射线发射源）必须被精确地理解，以确保这些数据中潜在的暗物质信号是稳健的。

寻找暗物质粒子的第二种方法是使用专门的探测器，这种探测器不受传统辐射源的影响，通过在探测器中寻找暗物质粒子撞击原子核所产生的微小能量转移。KIPAC的研究人员正试图通过两个主要的研究项目来探测暗物质。超低温暗物质搜索（Super CDMS）使用硅和锗固态探测器，它们被冷却到接近绝对零度，当暗物质粒子从探测器中的原子散射出去时，它们对非常小的温度变化非常敏感。LUX-ZEPLIN （LZ）项目使用装满液态氙的容器来测量当探测器中氙原子的原子核被击中时产生的少量紫外线闪烁光。KIPAC的研究人员还在开发新的实验来寻找其他类型的暗物质，包括暗物质无线电项目，该项目旨在探测低质量轴子暗物质粒子。