暗物质既不发光也不吸收光，却占据宇宙总质能的约27%。它究竟是什么？我们怎样在地球上捕捉它的踪迹？下面用自问自答的方式，带你一步步拆解这个宇宙级谜题。

暗物质为什么一定存在？

如果星系只靠可见物质的引力维系，边缘恒星应该飞散，可它们仍稳定旋转。这说明存在看不见的质量提供额外引力。此外，宇宙微波背景辐射的精细结构、引力透镜的弯曲程度，也都指向同一结论：宇宙里还有大量“隐形”物质。

暗物质可能由什么粒子构成？

目前主流假设集中在三类候选者：

• WIMP（弱相互作用大质量粒子）：质量约为质子百倍，与普通物质仅通过弱核力和引力互动。
• 轴子（Axion）：极轻、极冷，可在强磁场中转化为光子。
• sterile中微子：比普通中微子更重，几乎不参与任何相互作用。

它们共同点是不带电荷、不发光、寿命长，因此难以被传统望远镜捕捉。

地下实验室如何捕捉暗物质？

为屏蔽宇宙射线，科学家把探测器建在千米深的地下。以XENONnT液氙实验为例：

1. 液氙既是靶子也是闪烁体，暗物质粒子撞击氙核会产生微弱闪光。
2. 光电倍增管记录信号，结合电离电子漂移时间，重建碰撞三维坐标。
3. 通过能量、波形、位置三重筛选，剔除中子、伽马射线等背景噪声。

若统计到无法解释的小能量核反冲，就可能捕获到暗物质。

粒子对撞机怎样“制造”暗物质？

欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）让质子以接近光速对撞，瞬间产生高能环境：

• 如果碰撞能量转化为暗物质粒子，它们会携带能量逃逸，表现为“丢失能量”信号。
• 科学家通过反推动量守恒，计算缺失能量的大小与方向，间接证明暗物质诞生。

目前LHC尚未发现确凿信号，但已把WIMP质量下限推高到数百GeV。

空间望远镜如何“看见”暗物质？

暗物质湮灭或衰变可能产生伽马射线、正电子、中微子。费米伽马射线空间望远镜通过以下策略搜索：

1. 扫描银河系中心、矮星系等暗物质密集区，寻找超出天体物理背景的伽马射线谱线。
2. 测量宇宙射线中正电子与电子比例，若比例异常升高，可能源于暗物质湮灭。
3. 与冰立方中微子天文台数据交叉验证，确认信号是否来自同一源头。

2023年费米团队报告在银河系中心附近发现130GeV的疑似谱线，仍需进一步确认。

引力透镜怎样给暗物质“拍照”？

根据广义相对论，大质量天体弯曲背景星光。暗物质团簇同样会产生透镜效应：

• 通过哈勃望远镜观测爱因斯坦环或弧形畸变，反推暗物质分布。
• 结合弱透镜统计，绘制宇宙大尺度结构“暗物质地图”。
• 2022年暗能量巡天发布的新图显示，暗物质纤维状结构与理论预测高度吻合。

未来十年哪些实验最值得关注？

技术升级与多信使天文学正把暗物质研究推向新阶段：

1. DARWIN：下一代液氙探测器，目标灵敏度比XENONnT再提升两个数量级。
2. LUX-ZEPLIN：美国南达科他州地下实验，计划用7吨液氙捕捉更低质量WIMP。
3. 轴子暗物质实验（ADMX）：利用微波腔在1–100μeV范围扫描轴子信号。
4. 欧几里得空间望远镜：2023年发射，将通过弱透镜绘制更精细的暗物质三维分布。

暗物质研究对日常生活有何影响？

看似遥远的粒子物理，其实已悄然改变技术：

• 液氙探测所需的超低放射性材料技术，被用于癌症放疗剂量监测。
• 超导量子干涉仪（SQUID）原本为轴子搜索开发，现成为脑磁图成像核心部件。
• 海量数据处理算法，推动人工智能在金融风险预测中的应用。

普通人如何参与暗物质探索？

即使不是物理学家，也能贡献力量：

1. 下载Einstein@Home屏保程序，利用电脑闲置算力分析引力波数据。
2. 参与Zooniverse的“暗物质猎人”项目，帮助识别望远镜图像中的透镜信号。
3. 关注科普直播，如欧洲核子中心的开放日，实时了解实验进展。

暗物质像宇宙中的隐形骨架，托举着星系、星系团乃至我们自身。从千米深的矿井到太空边缘的望远镜，人类正用越来越精巧的工具，试图揭开这层神秘面纱。每一次探测器的升级、每一张新的天空地图，都在缩小未知范围，也许下一个十年，我们就能写下“暗物质发现史”的之一章。