我们对暗物质的了解

科学家对暗物质有很多未知的事物：我们可以将其捕获在探测器中吗？我们可以在实验室做到吗？它是由哪种颗粒制成的？它是由一种以上的颗粒组成的吗？它甚至是由颗粒制成的吗？

简而言之，暗物质仍然非常神秘。这个术语实际上只是科学家给我们赋予的一种名称，它似乎是我们对宇宙的了解所缺少的。

但是，科学家可以肯定地说些话。

Natalia Toro是美国能源部SLAC国家加速器实验室的理论物理学家，并且是光暗物质实验（LDMX）和束流转储实验（BDX）暗物质搜索的成员。她在美国物理协会的司粒子和场的约的事情，我们的短名单2019年大会上发表的演讲 也 知道暗物质。

1.它经久耐用。

暗物质在宇宙的历史中很早就形成了。在宇宙微波背景下，即CMB，这是证据，这是宇宙炽热的第一刻留下的空灵辐射层。

Toro说，这么多暗物质似乎仍在大约137​​亿年后的事实立即告诉我们，它的寿命至少为10 17秒（或大约30亿年）。

但是，还有另一个更明显的线索是，暗物质的寿命比这更长：我们看不到暗物质衰减的任何证据。

标准粒子物理模型中最重的粒子会分解，以较轻的粒子形式释放其能量。托罗说，暗物质似乎并没有那样做。“无论由什么黑物质组成，它都会持续很长时间。”

这种特性并非闻所未闻-电子，质子和中微子的寿命都非常长-但是这是不寻常的，尤其是如果暗物质比轻的，稳定的粒子重的话。

托罗说：“一种可能是自然界中存在某种电荷，暗物质是携带该电荷的最轻的物质。”

在粒子物理学中，电荷必须守恒，这意味着不能创建或销毁电荷。以μ子的衰变为例，它是电子的重形式。介子通常会衰变成一对不带电荷的中微子和一个共享该介子负电荷的电子。因此，即使μ子分裂成另外三个粒子，其电磁电荷在衰变结果中总体上还是保守的。

电子是带有负电磁电荷的最轻的粒子。由于没有质量更小的东西能够衰减，它保持稳定。

但是电磁电荷不是唯一的电荷类型。例如，质子是携带电荷的最轻的粒子，称为重子数，这与以下事实有关：质子是由称为夸克（而非反夸克）的粒子构成的。夸克和胶子具有物理学家所说的色电荷，在粒子相互作用中似乎是守恒的。

暗物质粒子可能是最稳定的带有新型电荷的粒子。

2.它塑造了整个星系而不触碰任何物体。

暗物质的表面稳定性似乎是其另一特质的关键：其影响宇宙演化的能力。天体物理学家认为，如果没有暗物质的帮助，大多数星系可能不会像它们那样形成。

在1930年代，瑞士天体物理学家弗里茨·兹维奇（Fritz Zwicky）指出，某种原因似乎导致昏迷星系中的星系表现得比仅包含发光物质的星系重400倍。今天计算出的差异较小，但仍然存在。Zwicky创造了“暗物质”一词来描述可能给星系带来额外质量的一切。

1970年代，华盛顿卡内基研究所（Carnegie Institution）的天文学家维拉·鲁宾（Vera Rubin）使用光谱学证据确定了像我们这样的旋涡星系似乎也比看起来更庞大。它们旋转的速度比预期的快得多，例如，如果它们坐在无形的暗物质光环中，可能会发生这种情况。

科学家们已经看到了暗物质对发光材料的另一种影响。暗物质簇充当光在宇宙中传播的路径上的宇宙坑洞，在称为“引力透镜”的过程中弯曲和扭曲。天文学家可以通过研究这种透镜来绘制其他看不见的暗物质的分布图。

就像常规物质一样，暗物质也不均匀地分布在整个宇宙中。天体物理学家认为，当星系首次形成时，宇宙中暗物质稍多（因而引力更大）的区域会吸引更多物质，从而导致我们现在看到的星系分布。

托罗说，如果整个宇宙存在暗物质的不同模式（或多多少少），那么后来星系可能会形成，密度不同或根本不会形成。“银河系变得更加密集，您可能最终会陷入形成许多黑洞的情况，或者最终会陷入更多的暗物质。”

尽管有很大的影响力（原谅双关语），但暗物质还是众所周知的呆滞，避免了标准模型粒子从一开始就经常经历的大多数相互作用。她说：“通过观察CMB，我们具体了解到的是，等离子体中有一个与电子和质子不发生相互作用的成分。” “这是一个非常明确的约束-暗物质的相互作用少于电子和质子。”

暗物质是如此无反应性，甚至可能与自身不相互作用; 当两个星系合并时，它们各自的暗物质光环像鬼一样简单地穿过彼此。

3.总计达到85％。

令人惊讶的是，尽管暗物质正是被不清楚，天体物理学家知道相当好怎么多的它存在，这就是为什么我们可以说，它占宇宙中的物质已知的85％。物理学家称其为暗物质的“宇宙丰度”。

托罗说，宇宙学的丰富性可以告诉我们很多有关宇宙构成的知识，特别是在它成立之初，当时它更小，更密。她说，在早期宇宙的演化过程中，“平均密度非常代表”它存在于任何区域的实际暗物质。

托罗说，目前，暗物质的宇宙学丰度是“物理学家唯一可以戴上帽子的人”。科学家已经提出并正在积极寻找各种可能的暗物质候选物。无论暗物质是由少量的重型WIMP还是由大量的轻型轴组成，其暗物质的总和必须等于宇宙丰度的量度。

托罗说，重要的是要尽可能多地利用这个数字，并尝试推断出从中寻找暗物质的不同策略。

她说，量化暗物质的其他任何东西-其相互作用强度，其散射率以及其他潜在特性的清单-将“令人惊奇”。“得到任何确认，找到我们可以实际量化的暗物质的另一特性，将是一个巨大的飞跃。”