暗物質(zhì)是理論上提出的可能存在于宇宙中的一種不可見的物質(zhì)，它可能是宇宙物質(zhì)的主要組成部分，但又不屬于構(gòu)成可見天體的任何一種目前已知的物質(zhì)。

現(xiàn)代天文學(xué)通過天體的運(yùn)動、引力透鏡效應(yīng)、宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)的形成、微波背景輻射等觀測結(jié)果表明暗物質(zhì)可能大量存在于星系、星團(tuán)及宇宙中，其質(zhì)量遠(yuǎn)大于宇宙中全部可見天體的質(zhì)量總和。

結(jié)合宇宙中微波背景輻射各向異性觀測和標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型（ΛCDM模型）可確定宇宙中暗物質(zhì)占全部物質(zhì)總質(zhì)量的85%。

目前一種被廣泛接受的理論認(rèn)為，組成暗物質(zhì)的是“弱相互作用有質(zhì)量粒子”，其質(zhì)量和相互作用強(qiáng)度在電弱標(biāo)度附近， 在宇宙膨脹過程中通過熱退耦合過程獲得目前觀測到的剩余豐度。

最早提出“暗物質(zhì)”可能存在的是天文學(xué)家卡普坦（Jacobus Kapteyn），他于1922年提出可以通過星體系統(tǒng)的運(yùn)動間接推斷出星體周圍可能存在的不可見物質(zhì)。

盡管暗物質(zhì)尚未被直接探測到，但已經(jīng)有大量證據(jù)表明其大量存在于宇宙中，例如：

l星系旋轉(zhuǎn)曲線與彌散速度分布

星系旋轉(zhuǎn)曲線描述了漩渦星系中可見天體的環(huán)繞速度和其距離星系中心距離的關(guān)系。根據(jù)對漩渦星系中可見天體質(zhì)量分布的觀測以及萬有引力定律的計(jì)算，靠外圍的天體繞星系中心旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動速度應(yīng)當(dāng)比靠中心的天體更慢。

然而對大量漩渦星系旋轉(zhuǎn)曲線的測量表明，外圍天體的運(yùn)行速度與內(nèi)部天體近乎相同，遠(yuǎn)高于預(yù)期。這暗示著這些星系中存在著質(zhì)量巨大的不可見的物質(zhì)。

結(jié)合位力定理，可以通過星系中可見天體的彌散速度分布計(jì)算出星系中的物質(zhì)分布。這種方法同樣適用于測量橢圓星系和球狀星團(tuán)的物質(zhì)分布。

結(jié)果表明，除個別以外，大部分星系和星團(tuán)的物質(zhì)分布都與觀測到的可見物質(zhì)的分布不符，可見物質(zhì)的質(zhì)量僅占星系和星團(tuán)總質(zhì)量的較小部分。

暗物質(zhì)的存在已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)同,然而目前對暗物質(zhì)屬性了解很少。目前已知的暗物質(zhì)屬性僅僅包括有限的幾個方面：

1） 暗物質(zhì)參與引力相互作用，所以應(yīng)該是有質(zhì)量的，但單個暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量大小還不能確定；

2） 暗物質(zhì)應(yīng)是高度穩(wěn)定的，由于在宇宙結(jié)構(gòu)形成的不同階段都存在暗物質(zhì)的證據(jù)，暗物質(zhì)應(yīng)該在宇宙年齡（百億年）時間尺度上是穩(wěn)定的；

3） 暗物質(zhì)基本不參與電磁相互作用，暗物質(zhì)與光子的相互作用必須非常弱，以至于暗物質(zhì)基本不發(fā)光；暗物質(zhì)也基本不參與強(qiáng)相互作用，否則原初核合成的過程將會受到擾動，輕元素豐度將發(fā)生改變，將導(dǎo)致與當(dāng)前的觀測結(jié)果不一致。

4） 通過計(jì)算機(jī)模擬宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成得知，暗物質(zhì)的運(yùn)動速度應(yīng)該是遠(yuǎn)低于光速，即“冷暗物質(zhì)”，否則我們的宇宙無法在引力作用下形成目前觀測到的大尺度結(jié)構(gòu);

綜合這些基本屬性?？梢缘贸鼋Y(jié)論暗物質(zhì)粒子不屬于我們已知的任何一種基本粒子。這對當(dāng)前極為成功的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型構(gòu)成挑戰(zhàn)。

暗物質(zhì)有兩個候選者：

【一】

弱相互作用有質(zhì)量粒子是被最廣泛討論的暗物質(zhì)候選者之一，它是指質(zhì)量和相互作用強(qiáng)度在電弱標(biāo)度附近的某種穩(wěn)定粒子，通過熱退耦機(jī)制獲得目前已知的剩余豐度。

【二】

另一個暗物質(zhì)候選者是軸子，一種非常輕的中性粒子，它與強(qiáng)相互作用中電荷共軛-宇稱反演聯(lián)合對稱性破缺相聯(lián)系。軸子間通過極微小的力相互作用，由此它無法與背景輻射處于熱平衡狀態(tài)，因此不會通過熱退耦獲得剩余豐度，但可以通過真空態(tài)的破缺成為冷暗物質(zhì)。

即使暗物質(zhì)粒子與常規(guī)物質(zhì)僅有微弱的相互作用，暗物質(zhì)粒子也有可能被精密的實(shí)驗(yàn)儀器探測到。目前科學(xué)家采用的探測手段可以分為三類：

【直接探測】

如果暗物質(zhì)是由微觀粒子構(gòu)成的，那么每時每刻都應(yīng)該有大量的暗物質(zhì)粒子穿過地球。如果其中一個粒子撞擊了探測器物質(zhì)中的原子核，那么探測器就能檢測到原子核能量的變化并通過分析撞擊的性質(zhì)了解暗物質(zhì)屬性。

【間接探測】

既然在銀河系中存在著大量的暗物質(zhì)粒子，那么應(yīng)該可以探測到它們湮滅或衰變所產(chǎn)生的常規(guī)基本粒子，間接探測就是在天文觀測中尋找這種湮滅或衰變信號，包括宇宙線中的高能的伽馬射線、正負(fù)電子、正反質(zhì)子、中子、中微子以及各種宇宙線核子。

采取間接探測手段的實(shí)驗(yàn)可以是利用衛(wèi)星或空間站搭載的空間探測器直接收集宇宙線粒子，或者是在地面觀測高能宇宙線粒子進(jìn)入地球大氣時產(chǎn)生的簇射或切倫科夫光效應(yīng)。通過分析宇宙線中各種粒子的數(shù)量和能譜，可以提取出宇宙中暗物質(zhì)衰變或湮滅的信息。

【對撞機(jī)探測】

另一種尋找暗物質(zhì)的方法是在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生暗物質(zhì)粒子。在高能粒子對撞實(shí)驗(yàn)中，可能會有尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子包括暗物質(zhì)粒子被產(chǎn)生出來。

如果對撞產(chǎn)生了暗物質(zhì)粒子，由于其難以被探測器直接檢測到，會導(dǎo)致被探測器檢測到的對撞產(chǎn)物粒子的總能量和動量出現(xiàn)丟失的現(xiàn)象。

這是產(chǎn)生了不可見粒子的一個特征。再結(jié)合直接或間接的探測手段，可以幫助確定對撞機(jī)中產(chǎn)生的粒子是否為暗物質(zhì)粒子。