暗物质研究论文

暗物质研究论文

暗物质，约占宇宙质量 85% 的物质。不发光，不容易被检测到。它的属性也仍然相当模糊。

现在，加州大学河滨分校的理论粒子物理学家及其同事在《 高能物理学杂志》上 发表了一篇研究论文，该 论文 展示了假设存在一种新型力的理论如何有助于解释暗物质的特性。

“我们生活在暗物质的海洋中，但我们对它可能是什么知之甚少，”物理学和天文学助理教授、该论文的资深作者 Flip Tanedo 说。“它是自然界中已知的最令人烦恼的未知数之一。我们知道它存在，但我们不知道如何寻找它，也不知道为什么它没有出现在我们预期的地方。”

这项新研究提出在时空中存在一个额外的维度来寻找暗物质，这是由 Tanedo 领导的加州大学河滨分校正在进行的研究是项目的一部分。根据这个理论，一些暗物质粒子的行为不像粒子。实际上，不可见的粒子与更不可见的粒子相互作用，以至于后者不再表现得像粒子。

“我过去两年研究计划的目标是将暗物质‘对话’的想法扩展到暗力量，”Tanedo 说。“在过去的十年里，物理学家开始意识到，除了暗物质之外，隐藏的暗力量可能会支配暗物质的相互作用。这些可能会完全改写人们应该如何寻找暗物质的规则。”

如果两个暗物质粒子相互吸引或排斥，那么暗力量就会起作用。Tanedo 解释说，暗力是由具有额外维度的理论在数学上描述的，并表现为粒子的连续体，可以解决小星系中的难题。

“我们在 UCR 正在进行的研究项目是对黑暗势力提议的进一步概括，”他说。“我们观察到的宇宙有空间的三个维度。我们提出可能存在只有暗势力知道的第四维度。额外的维度可以解释为什么暗物质对我们在实验室中进行研究的尝试隐藏得如此之好。”

Tanedo 解释说，虽然额外维度听起来像是一个奇特的想法，但它们实际上是描述“共形场论”的数学技巧——高度量子力学的普通三维理论。这些类型的理论在数学上很丰富，但不包含常规粒子，因此通常被认为与描述自然无关。这些具有挑战性的三维理论与更易于处理的额外维度理论之间的数学等效性被称为全息原理。

“由于这些共形场理论既棘手又不寻常，它们并没有真正系统地应用于暗物质，”Tanedo 补充道。“我们不使用那种语言，而是使用全息超维理论。”

超维理论的关键特征是暗物质粒子之间的力由无数不同质量的不同粒子描述，称为连续体。相比之下，普通力由具有固定质量的单一类型粒子描述。这类连续暗区对 Tanedo 来说是令人兴奋的，因为它做了一些“新鲜而不同”的事情。

根据 Tanedo 这种说法，过去对暗区的研究主要集中在模拟可见粒子行为的理论上。他的研究计划正在 探索 大多数粒子物理学家认为不那么有趣的更极端类型的理论，这可能是因为现实世界中不存在类似物。

在 Tanedo 的理论中，暗物质粒子之间的力与普通物质感受到的力惊人地不同。

“对于我在物理入门课程中讲授的引力或电力，当你将两个粒子之间的距离加倍时，力就会减少四倍。另一方面，连续力会减少四分之一最多八个。”

这种额外维度的黑暗力量有什么含义？由于普通物质可能不会与这种暗力发生相互作用，Tanedo 转向了自相互作用暗物质的想法，这是 UCR 物理和天文学副教授 Hai-Bo Yu 率先提出的想法，他不是该论文的合著者。Yu 表明，即使在与正常物质没有任何相互作用的情况下，也可以在矮椭球星系中间接观察到这些暗力的影响。Tanedo 的团队发现连续力可以再现观察到的恒星运动。

“我们的模型走得更远，比自相互作用暗物质模型更容易解释暗物质的宇宙起源，”Tanedo 说。

接下来，Tanedo 的团队将 探索 “暗光子”模型的连续版本。

“对于黑暗力量来说，这是一幅更真实的画面，”Tanedo 说。“暗光子已经得到了非常详细的研究，但我们的超维框架有一些惊喜。我们还将研究暗力的宇宙学和黑洞的物理学。”

Tanedo 一直在努力寻找他的团队寻找暗物质的“盲点”。

“我的研究计划针对的是我们对粒子物理学所做的假设之一：粒子之间的相互作用可以通过更多粒子的交换得到很好的描述，”他说。“虽然这对普通物质来说是正确的，但没有理由假设暗物质也是如此。它们的相互作用可以用交换粒子的连续体来描述，而不仅仅是交换单一类型的力粒子。”

新研究！暗物质会升温并四处游走

矮星系的恒星形成过程能够缓慢“加热”暗物质，将它们往外推。左图展示了一个模拟矮星系的氢气密度。右图展示了真实存在的矮星系IC 1613的氢气密度。模拟过程中，重复出现的气体流入-流出导致IC1613中央的引力场强度波动。暗物质对这种波动做出相应，具体体现为远离IC 1613中央。这种效应被称之为“暗物质升温”

在一项新研究中，科学家发现相关证据，证明暗物质可以被加热并四处移动。之所以出现这些现象是因为星系的“造星运动”。新研究提供了第一个观测证据，证明所谓的“暗物质升温”效应，同时也为科学家提供新线索，帮助他们揭示暗物质的构成。研究论文刊登在《英国皇家天文学会月刊》上。

此项新研究由萨里大学、卡耐基·梅隆大学和苏黎世联邦理工学院的科学家进行，旨在搜寻附近矮星系中央的暗物质证据。矮星系是暗淡的“小个子”星系，通常环绕大型星系运行，例如我们的银河系。它们可能隐藏着一系列线索，有助于科学家进一步了解暗物质的特征。

艺术概念图，银河系的暗物质蓝色光晕

在宇宙的物质总量中，暗物质占据主导地位。不过，暗物质与光线的交互方式与正常物质不同，只有通过研究它们的引力效应，才能对暗物质进行观测。进一步了解矮星系的恒星如何形成，可能是揭开暗物质神秘面纱的关键。

恒星形成时，强风会将气体和尘埃吹离星系中央。其结果是，星系中央质量减少，影响余下暗物质所能感受到的引力大小。在引力减少的同时，暗物质获得能量并离开星系中央。这种效应被称之为“暗物质升温”。

矮星系NGC 5264。类似这样的矮星系通常拥有10亿颗左右恒星

研究过程中，天体物理学家对16个矮星系中央的暗物质数量进行了测算。这些矮星系的恒星形成史存在很大差异。他们发现很久前就停止造星的矮星系，中央的暗物质密度超过仍在造星的矮星系。这一发现支持了“古老星系暗物质升温效应较弱”的理论。

研究论文主执笔人、萨里大学物理学系主任贾斯汀·里德表示：“我们发现这些矮星系中央的暗物质数量与它们曾经的造星数量之间存在显著联系。”仍在造星的矮星系中央的暗物质似乎被加热并往外推。

凤凰座矮星系。它是一个不规则星系，内侧恒星较为年轻，外侧恒星则比较古老

研究发现为暗物质模型添加了新限制条件：暗物质一定能够形成中央密度千差万别的矮星系，中央的暗物质密度一定与造星数量之间存在联系。研究论文合著者、卡耐基·梅隆大学的马修·瓦尔克指出：“这项研究可能找到了确凿证据，有助于我们进一步了解暗物质的构成。我们的研究表明暗物质可以被加热并四处移动。这项发现有助于推进暗物质粒子的搜寻工作。”

研究小组希望扩大矮星系样本数量，测算更多矮星系中央的暗物质密度。他们计划将亮度更为暗淡的矮星系囊括其中，测试更多暗物质模型。

2021年粒子物理学热点回眸（上） | 回眸

随着理论和实验的不断发展，物理学家逐步建立了粒子物理的“ 标准模型 ”。

在这个模型下，整个宇宙的基本粒子分为4类，分别是 夸克 、 轻子 、 矢量玻色子 和 标量希格斯粒子 。

其中，矢量玻色子是相互作用的 媒介子 ，通过规范作用传递着基本粒子之间的强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。

所有的基本粒子通过和希格斯子发生 相互作用 而获得质量。随着2012年希格斯粒子 在实验中发现 ，粒子物理标准模型完成最后一块“拼图”，证明了标准模型的巨大成功。

但是目前宇宙中仍然有许多标准模型解释不了的问题，表明 粒子物理标准模型并不是“终极”理论 ，而是电弱能标下的“有效”理论，仍然有超出标准模型的新物理亟待去发掘，这也是当前粒子物理学界的主要研究内容。

暗物质研究

暗物质超出了粒子物理标准模型，是当今物理学和天文学亟待解决的重大问题，在 实验中探测到暗物质并研究其物理属性 ，将是物理学的重大突破。

暗物质实验探测有3个主要方向—— 直接探测 、 间接探测 和 对撞机探测 。

国际新一代暗物质直接探测实验 PandaX-4T 4t级液氙实验 率先投入运行，取得大质量暗物质世界最强的限制。

间接探测包括暗物质粒子探测（ DAMPE ）和 AMS-02空间实验 积累了更多数据，给出更加精确的测量。

欧洲核子研究中心大型强子对撞机 LHC 上的暗物质寻找不断深入更加复杂的参数空间，并为即将开始的Run-3阶段取数做准备。

中国锦屏地下实验室（CJPL） 是世界上最深的实验室，有效屏蔽了来自宇宙线的干扰，提供了极其优越的实验环境，中国开展了 PandaX液氙实验 和 CDEX高纯锗实验 直接探测暗物质。

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近20年来，位于意大利的 DAMA/LIBRA实验 一直宣称观测到暗物质在NaI(Tl)晶体中产生的 年调制信号 ，然而相应的暗物质信号参数被各种类型的直接探测实验所排除。

为了更加确切地检验这个疑似信号，国际上试图用同样的低本底NaI(Tl)晶体开展实验。

2021年5月，西班牙 Canfrac地下实验室 采用112.5 kg的低本底NaI(Tl)晶体探测器的ANAIS实验公布了3年曝光量的探测结果，并 没有发现显著年调制现象 。预计到2022年底，该实验将有超过3倍标准偏差灵敏的曝光量，可以给出更加确切的结论。

另一个采用106 kg低本底NaI(Tl)晶体的 COSINE-100实验 ，在韩国Yangyang地下实验室1.7 a曝光量的数据，也 没有发现显著的年调制现象 。

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2020年，位于意大利Gran Sasso地下实验室的 XENON1T液氙实验 在0.65 t·a曝光量的低能量电子反冲数据中，观测到了 大于3倍标准偏差的疑似信号 ，引起了暗物质理论和实验研究领域的广泛关注，亟需 同类型实验的进一步检验 。

中国 PandaX-II二期580 kg级液氙实验 积累了100 t·d的曝光量数据，直接从刻度数据中获取了 氙中主要的放射性杂质本底的特征谱 ，进而根据这些高可靠性的本底特征谱对电子反冲数据进行分析。

PandaX-II的结果显示，XENON1T观测的疑似信号 和当前数据并不矛盾 ，还需要提高数据统计量和探测灵敏度以给出确定性结论。

PandaX-II实验对轴子暗物质耦合常数（a）和中微子反常磁矩（b）的排除限，和XENON1T的疑似信号并不矛盾

国际上开展了多种类型暗物质探测的实验升级和研发，3个以液氙作为靶物质的实验，位于中国的PandaX-4T、欧洲的XENONnT和美国的LZ实验，将探测体量提升到了多吨级，预期能够 将探测灵敏度比之前提升1个数量级以上 。

其中， PandaX-4T液氙实验 在2020年底完成安装和调试，成为国际上首个投入运行的 多吨级液氙探测实验 ，在2021年上半年试运行的曝光量达到0.63 t·a。

PandaX-4T探测器中应用了一系列新技术：研制了 新一代超大尺寸高透光的时间投影室探测器 ，大幅提高了探测器电场的均匀性和电子信号放大率，实现高分辨率的信号重建；采用了 无触发数据读出方式 ，有效降低了微弱信号的探测阈值；研制了 新型低温精馏氙系统 ，成功提纯6 t原料氙，将放射性杂质氪85的含量降低到PandaX-II时的1/20；有效利用液氙自屏蔽并结合多种放射性测量方法和表面清洗工艺，将单位探测靶中放射性本底降低到1/20，放射性杂质氡222的含量降低到1/6。

PandaX-4T首批数据的探测灵敏度较PandaX-II 提升了2.6倍 ，给出了大质量暗物质和原子核自旋无关散射截面世界最强的限制。

PandaX-4T首批数据

对暗物质自旋无关散射截面的排除限

黄色区域为“中微子地板”，即探测灵敏度可以探测到太阳或大气中微子在探测器中的信号贡献

这批数据也显示，在暗物质质量10 GeV/ c 2附近区域，PandaX-4T实验开始触碰到所谓的“ 中微子地板 ”，即有可能探测到太阳中核聚变产生的硼8中微子同氙原子核的 相干散射信号 ，这种散射将是未来探测中微子的一个重要途径。

与此同时，国际上开始计划 几十吨级“终极”液氙探测实验 ，其中一个目标是将暗物质探测灵敏度推进到“中微子地板”。PandaX实验团队已经开展了相应的关键技术研发。

以液氩为靶物质 的探测器对大质量暗物质也有独特的探测灵敏度，几十吨级的低本底氩探测器的研发也在持续推进中。

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中国CDEX实验利用 点电极高纯锗探测器 ，可实现 低能量阈值的探测 ，对轻质量暗物质具有高灵敏度。

2021年CDEX实验公布了利用942.5 kg·d曝光量的数据寻找有效场暗物质信号的结果。

直接探测实验中，暗物质和靶物质相互作用转移动量小，可以 用有效场算符的形式系统地研究 ，从而实现较为全面的覆盖多种可能的暗物质理论模型。

在分析中，CDEX实验将探测阈值降低到160 eV，针对小质量暗物质，系统性地给出了 非相对论下 多种类型有效场模型的耦合常数上限。

同时，利用 手征有效场理论 ，获得了6 GeV/ c 2质量以下世界最强的WIMP与pion介子散射截面的排除限。

目前CDEX实验正在开展50 kg级高纯锗探测阵列实验的研发，预期将探测灵敏度 提高2个数量级以上 。

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针对 小质量暗物质 ，直接探测实验也尝试不同探测方案来突破探测阈值的限制。

液氙探测实验 通过独立电离电子信号（S2-only）、Migdal或韧致辐射等次级效应来寻找小质量暗物质。

如 PandaX实验 在2021年初发表的S2-only数据分析结果，寻找暗物质和电子散射信号，在15~30 MeV/ c 2暗物质质量区间给出世界最强的 散射截面限制 。

SENSEI实验 采用了约2 g的高阻抗Skipper-CCD，在2020年底发表了24 d运行数据的结果，给出0.5~10 MeV/ c 2质量的暗物质和电子散射信号世界最强的限制，以及1.2~12.8 eV/ c 2质量的暗光子世界最强的限制。

SENSEI实验正在组装测试100 g探测模块，将 大幅度提升该质量范围的暗物质探测灵敏度 。

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在 暗物质间接探测 方面，中国暗物质探测卫星 DAMPE实验 和位于国际空间站的 AMS-02实验 继续积累数据。

2021年发表了AMS-02实验运行7 a以来的物理数据，给出 更加精确 的反电子、反质子等测量结果。

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在 对撞机探测 方面， 大型强子对撞机LHC 上的 ATLAS 和 CMS 实验不断深入分析Run-2运行时期的全部数据，寻找 暗物质产生过程 以及 中间传播子信号 。

对撞机探测不受原子核自旋大小的压制，通过寻找夸克或者胶子湮灭产生暗物质的过程，以及通过双喷注共振峰直接寻找轴矢量中间传播子，在一定的耦合常数下，可以 有效补充直接探测实验的结果 。

对撞机实验同时在寻找一些 复杂过程的暗物质模型 ，其中， 暗希格斯子模型 认为暗物质的质量起源有可能也存在类似希格斯子的破缺机制——暗希格斯子，暗希格斯子可以有和希格斯子类似的衰变过程。

ATLAS实验在2021年发表了 首个暗希格斯子衰变到2个矢量玻色子最终态的寻找结果 ，对中间传播子和暗希格斯子质量给出了限制。

LHC第三期取数Run-3即将开始，将累计更多的数据量进一步扫描多种暗物质产生模型。

中微子和粒子天体物理研究

粒子天体物理和粒子物理研究紧密联系， 宇宙线 具有地球上人造加速器无法达到的高能量，为我们认识极端高能物理过程、寻找新物理提供了宝贵的物质样本。

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2021年粒子天体物理领域最显著的成果来自中国国家重大 科技 基础设施—— 高海拔宇宙线观测站LHAASO 。

LHAASO于2021年完成建设并顺利通过工艺验收，正式进入科学运行阶段，以前所未有的灵敏度开展 伽马射线、宇宙线巡天观测 。

在建设期间，基于1/2阵列数据，LHAASO合作组发布了首批观测结果：发现 银河系中大量超高能宇宙加速器 ，为寻找河内宇宙线起源做出了重要推进；记录到 能量达1.4 PeV的伽马射线光子 ，这是人类迄今为止观测到的最高能量光子，开创了超高能伽马射线这一崭新的天文窗口。

蟹状星云 是首批发现的12个超高能伽马射线源之一，一直作为伽马射线天文学的“标准烛光”，LHAASO的最新结果为此“标准烛光” 在超高能波段设定了亮度标准 。

LHAASO观测到来自蟹状星云方向的0.88 PeV伽马射线光子

这些超高能伽马射线辐射产生PeV以上能段的电子，接近经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限， 对现有的粒子加速理论提出了严峻挑战 。

未来几年，LHAASO将持续对北天区开展巡天观测，扫描伽马射线源并精确测量“膝”区宇宙线能谱， 冲击宇宙线起源的世纪之谜 。

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另一种来自宇宙深处的重要物质样本是 高能中微子 。

2021年，位于南极冰层中的冰立方中微子天文台公布了首个 格拉肖共振事件 ——格拉肖预言，反电子中微子可与电子相互作用生成W-玻色子。产生格拉肖共振的中微子峰值能量为6.3 PeV，可 从极端天体环境中得到 。

冰立方在此次簇射事例中测得6.05 0.72 PeV的能量，考虑到簇射中的不可见能量，中微子能量被修正为约6.3 PeV；事例中测到次级缪子的信号预示着 W-玻色子的强子衰变过程 ，为格拉肖共振提供了进一步证据。

冰立方的格拉肖共振事件再次验证了粒子物理标准模型， 揭示了天体反电子中微子的存在 。

对格拉肖共振事件的观测有望对天体中微子的产生机制做出限制。

未来几年是中微子天文学发展的关键时刻，国内外多个实验组提出了冰层、海洋、湖泊中的多种 下一代中微子望远镜方案 ，结合伽马射线、宇宙线、引力波的观测数据开展多信使天文学研究。

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在 超出标准三味中微子模型的新物理寻找 方面，位于美国费米国家加速实验室的MicroBooNE实验发布了新的测量结果，没有找到惰性中微子存在的迹象。

此前，LSND、MiniBooNE等 短基线实验 相继发现中微子的数量异常，引入第四种中微子—— 惰性中微子 。

MicroBooNE实验没有找到惰性中微子，表明其中的差异还需要进一步研究，中微子数量异常仍然是未解之谜。

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2021年，国际 无中微子双贝塔衰变实验 方向发展势头迅猛。

大型实验 中，CUORE和Kam⁃LAND-ZEN实验分别继续取数，GERDA的继任实验LEGEND-200即将开始运行。

国内无中微子双贝塔衰变实验在最近几年蓬勃发展，多个实验组提出了多种不同的实验方案，再次彰显了 马约拉纳中微子 这一问题的重要性和显著度。

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2021年， 中国江门中微子实验 的建设进展顺利，预期2023年开始取数，剑指中微子质量顺序、中微子混合参数的精确测量，有望率先获得具有国际竞争力的实验成果。

明天将介绍缪子反常磁矩研究、重味与强子物理研究、高能量前沿希格斯物理、电弱物理与新物理寻找这3个领域的进展，敬请关注！

论文全文发表于《 科技 导报》2022年第1期，原标题为《2021年粒子物理学热点回眸》，本文有删减，欢迎订阅查看。

暗物质究竟是什么？科学家尚无法给出确切答案

暗物质在宇宙物质总量中的比重达到84%，但不放射、不吸收也不反射光线，同时也不产生任何已知形态的辐射。暗物质完全不带电磁荷，只通过引力与其它物质发生交互。暗物质并非由原子或者电子、质子和中子等原子构件组成，特性充满神秘色彩。根据科学家提出的理论，暗物质由某种新型粒子构成，这些粒子符合宇宙定律，但并未在常规粒子物理学研究中出现。

自上世纪60年代“广义相对论的黄金时代”以来，科学家便坚信宇宙中的大部分物质都是神秘莫测的 暗物质 。科学家采用“两手抓”的策略，希望能够揭示暗物质的谜团。一方面，天体物理学家试图找到构成暗物质的粒子。另一方面，他们还努力寻找理论基础，来解释暗物质的行为。一直以来，科学家讨论焦点的都是“暗物质究竟是热是冷”？由于相对比较简单， 冷暗物质模型 一直更胜一筹。

根据哈佛-史密森尼天体物理学中心进行的一项新研究，暗物质 可能是温的 。这一结论立基于星系形成模拟，所采用的宇宙模型包含温暗物质。这些模拟由哈佛-史密森尼天体物理学中心、麻省理工学院卡维利天体物理学与空间研究所、波茨坦莱布尼茨天体物理研究所以及多所大学组建的一支国际研究小组进行。研究论文于最近刊登在《皇家天文学会月报》上。

大爆炸后10亿年，暗物质对宇宙的演化产生深远影响。从星系形成到宇宙微波背景辐射的分布，暗物质据信在宇宙的方方面面都扮演角色。包含暗物质作用的宇宙学模型不仅得到两种截然不同的宇宙结构的观测结果的支持，同时也符合宇宙膨胀速度等宇宙参数。

根据最被广泛认可的暗物质模型，暗物质只通过引力与其它物质或辐射发生交互。这个模型被称之为 冷暗物质（CDM）模型 。冷暗物质模型通常结合暗能量理论，也就是所说的LCDM宇宙学模型，其中的L代表暗能量理论。

研究论文主执笔人、哈佛-史密森尼天体物理学中心的天文学家索纳克·伯瑟指出：“冷暗物质模型是一个久经考验的热门模型。这主要是因为过去40年，科学家一直在利用冷暗物质进行预测，冷暗物质模型已成为一个标准范式。预测结果随后与实际数据进行比较。结果发现这个模型能够再现我们观察到的不同规模和不同类型的宇宙现象。”

科学家利用所谓的“热暗物质”进行了大量宇宙演化模拟。这里的热暗物质是指中微子。中微子是一种与电子非常相似的亚原子粒子，但并不携带电荷。它们的质量很轻，以接近光速的速度在宇宙中穿梭。换句话说，它们在运动学上是“ 热的 ”。

利用中微子进行模拟结果显示，其预测分布与当前的宇宙截然不同。伯瑟指出：“出于这个原因，科学家开始考虑反向极限，即中微子在诞生时几乎没有任何速度，也就是‘冷的’。将这一因素考虑在内的模拟结果更契合宇宙的现代观测发现。在对相同星系团再次进行测试后，天文学家发现模拟宇宙与观测到的宇宙惊人契合。在随后的几十年，这种冷粒子经受住比星系团更严格的测试，通常都能顺利通过。”

电脑模拟的暗物质分布，橙色区域为宿主星系，蓝色为气体和暗物质

科学家之所以宠爱冷暗物质还有另一个原因，即至少理论上可以进行直接或者间接探测到这种物质。不过，这也正是冷暗物质模型的问题所在，因为目前所有探测冷暗物质粒子的尝试均以失败告终。为此，宇宙学家开始考虑其它可能的粒子，它们能够在更小层面与其它物质发生交互。

研究中，伯瑟的研究小组将目光聚焦“温”暗物质候选粒子。这种粒子能够与接近光速的超轻粒子发生微妙交互。它们能够与中微子发生交互。据信在炙热的宇宙初期，中微子普遍存在于宇宙中。因此， 温暗物质 的存在会产生重大影响。

伯瑟指出：“在这个模型中，暗物质粒子可以与光子或者中微子等放射性粒子进行有限且微弱的交互。这些交互会在早期宇宙的团块结构中留下一个非常独特的印记。而这与冷暗物质模型描述的宇宙截然不同。”

为了测试这一点，研究小组利用哈佛和冰岛大学的超级计算机进行精密的宇宙学模拟。这些模拟考虑了大爆炸后10亿年到140亿年的星系形成受到温暗物质的影响。伯瑟表示：“我们进行的电脑模拟展现了经过140亿年演化后的宇宙图景。除了对暗物质构成进行建模，我们还模拟了 恒星形成、超新星和黑洞的影响以及金属形成 的相关信息。”

研究小组将模拟结果进行比对，寻找能够区分不同结果的信号。根据他们的研究发现，在很多存在温暗物质影响的模拟中，这些影响非常微弱，无法被察觉到。不过，它们以某些非常独特的形式存在，尤其是在影响遥远星系的分布方面。

这种观测非常有意思，因为科学家可以借助下一代科学仪器在未来进行验证。伯瑟指出：“我们可以通过观测氢气分布，测绘早期宇宙的团块结构。从观测的角度上说，这是一项非常成熟的技术。我们可以通过观测 遥远星系的光谱 探测早期宇宙的中性氢。”

遥远星系放射的光线在抵达地球前一定会穿过星系际介质。如果星系际介质存在大量中性氢，部分星系的辐射会被吸收。如果只存在少量中性氢，它们则畅通无阻。如果暗物质是冷的，会导致团块状氢气分布更明显。相比之下，温暗物质会导致振荡团块。

当前的天文观测仪器的解析度无法测算早期宇宙的氢气振荡。伯瑟指出这项研究为制造具备这种观测能力的新实验装置和新设施提供了动力。例如，像詹姆斯·韦伯望远镜这样的红外观测仪器可用于绘制新的氢气吸收分布图，帮助科学家证实温暗物质的影响或者排除这种可能性。此外，这项研究也会促使科学家思考其他可能性。

伯瑟指出这项研究的真正价值在于，理论预测能够促使科学家 探索 新疆界，测试我们已知学识的极限。“这是科学研究的真正意义所在。我们要做的就是做出一项预测，而后提出一种验证方式，最后通过实验来限制/排除这一理论。”

这就是暗物质和常规物质相互“交谈”的方式

暗物质是一种光滑的物质。据我们所知，它必须存在才能使我们当前的宇宙模型起作用。但我们不仅看不到它，感受不到它，也无法以任何方式与之互动——我们甚至不确定暗物质到底是什么。

不过，我们确实有一些线索，比如暗物质如何通过引力与普通物质相互作用或“对话” 。这些相互作用的工作方式仍然是一个谜，但一篇新论文提出，一种叫做“非最小耦合”的东西可能是解决方案。

“通过我们的研究，我们试图回答这些有趣的问题。”

我们对暗物质可能是什么的最佳猜测是冷的、弱相互作用的大质量粒子，世界各地的实验物理学家几十年来一直试图探测到这些粒子， 但尚未发现。

尽管这种特殊类型的暗物质在我们的模型中运行良好，但仍然存在一些问题。一个大问题被称为尖顶晕问题，其中推断出的星系中暗物质的密度与所谓的 N 体模拟不一致。

这些模拟表明，为了解释它们当前的结构和运动，在低物质星系中，暗物质应该是“尖点”——这意味着它最集中在尖点周围或星系之外。但观察告诉我们，大多数矮星系似乎把它们的暗物质放在中间。

这篇论文绝对不是第一篇，也可能不会是最后一篇尝试解决这些暗物质问题的论文，但该团队提出了一种新策略。研究人员建议，如果暗物质与引力的耦合非最小，它可以解决尖点问题和另一个相关的问题，称为径向加速度关系。

“在本文中，我们提出了另一种观点来修改标准冷暗物质框架，使其能够准确描述观测到的星系旋转曲线，同时忠实再现径向加速度关系，”该团队在他们的新论文中写道纸。

“引入这种耦合可以保持冷暗物质在大宇宙学尺度上的成功，同时改善其在银河系中的行为。”

非最小耦合有点用词不当。这意味着暗物质直接与称为 爱因斯坦张量的时空曲率耦合。简单地说，它是暗物质和引力之间的一种新型相互作用。如果发生非最小耦合，暗物质与时空的相互作用方式与普通物质不同。

“暗物质的这一特征并不是新奇的基础物理学，”作者说。

“人们可以仅用已知的物理学来解释这种非最小耦合的存在”。

这只是一个假设，虽然它似乎与我们迄今为止的观测数据非常吻合，但暗物质仍然是一头复杂的野兽。我们需要更多的研究来确定非最小耦合是否真的是暗物质的一个特征，或者只是另一个推动我们去发现到底发生了什么的假设。

“将进行进一步的研究，以 探索 这一提议的暗物质新特征的所有有趣含义。发现这种非最小耦合可以解决宇宙中其他未解决的问题，我们不会感到惊讶。”