没有人见过，但每个人都知道：暗物质究竟是什么
世界各地的科学家正在使用对撞机加速粒子，并在地下实验室中研究轴子(WIMP)，这是构成暗物质的假设粒子的名称。那么，轴子是什么，为什么要研究它，以及如何“看到”这种从未被人类直接观测到的东西？
什么是暗物质？
暗物质是一种假设存在于宇宙中的物质形式。目前还没有直接观测到暗物质，因此其存在只能通过间接实验数据来推测和证明。
暗物质之所以被称为"暗"并不是指它的颜色，而是因为我们目前无法完全研究它。事实上，暗物质是透明的，因为它不与电磁辐射相互作用或发射电磁辐射。让我们用一个例子来解释一下：想象一个普通的杯子，它由带正电和带负电的粒子（质子和电子）组成。由于电磁特性，这些粒子相互吸引并结合在一起，使得杯子在光线照射下可见。而暗物质的结构不同，它不具备将物质聚集在一起的电磁特性，因此科学家推测它分布在整个宇宙中，不与光相互作用，从而保持不可见。
然而，尽管我们无法直接看到暗物质，但它可以通过引力来影响各种宇宙现象，例如恒星和星系的运动。例如，暗物质可以增加星系外围恒星的旋转速度，使它们的运动速度与银河系中心的恒星相匹配。
为了研究暗物质，科学家采取了多种方法。其中一种方法是通过大型撞击机（例如欧洲核子研究中心的大型强子对撞机）来加速粒子并进行碰撞实验，以寻找暗物质粒子的痕迹。另一种方法是在地下实验室中进行探测器实验，试图捕获暗物质粒子与普通物质发生微弱相互作用的信号。这些实验的目标是找到构成暗物质的假设粒子，例如轴子（WIMP），并进一步研究其性质和行为。
总之，尽管暗物质是一种没有被直接观测到的物质，但通过间接实验数据和引力影响的观测，科学家们得出了它存在的推测，并通过撞击实验和地下实验室进行研究，以寻找构成暗物质的粒子并揭示其性质。
如果暗物质不可见，如何了解它的？
20世纪30年代，美国天体物理学家Fritz Zwicky观察到星系以螺旋状旋转。根据力学定律，位于星系边缘的恒星比位于星系中心的恒星移动得慢，否则它们就会飞散。但兹威基发现，螺旋星系中的所有恒星的运动大致相同，而外围的恒星的运动就好像星系是由某种质量大得多的看不见的物质结合在一起的。这种神秘物质只能通过与其他物体的引力相互作用才能被探测到，被称为“暗物质” 。20 世纪 70 年代，美国天文学家Vera Rubin 和Kent Ford 在其他螺旋星系中，特别是在银河系中发现了它。人们观察到的暗物质表现越来越多，但其本质仍然是个谜。
为什么要研究暗物质？
研究暗物质将帮助我们了解宇宙是如何运作的。特别是，物理学家期望此类研究将使他们能够建立“万物理论”。这是一个假设的概念，应该统一所有已知的相互作用，解释从基本粒子到星系和暗物质的不同层面的物理现象，并预测新的现象。
目前还很难更具体地说明暗物质研究会产生什么影响。但类似的发现在历史上已经发生过，它不仅改变了科学，也改变了我们的生活。例如，我们可以想到放射性。1896年，当法国物理学家亨利·贝克勒尔发现自然界中存在天然放射性时，没有人知道如何利用这一现象造福人类。尽管如此，科学家们仍在继续他们的研究，1934 年，Irène 和 Frédéric Joliot-Curie 发现了人工放射性现象，通过核反应将同位素铝 27 转变为放射性同位素磷 30。
如今，人工放射性已应用于生活的各个领域，例如核能、X 射线诊断、医学中癌症的放射治疗、地质学、古生物学和考古学中物体和事件的放射性同位素测年，甚至可以确定物体的真实性。艺术品。也许暗物质研究也面临同样的命运。
现在如何研究暗物质？
通过绘制质量分布图，天体物理学家可以利用引力透镜除了观察星系旋转外，还能实现其他目的。当通过望远镜观察一颗遥远的恒星时，可能会看到其周围存在一个光环或光晕。发生这种情况是因为来自遥远恒星的光不会直接进入望远镜，而是沿途与一些不可见的物体相互作用并被弯曲。结果，恒星的光在物体两侧以弧线传播。这让人想起镜片的工作原理，例如，在普通眼镜中，只有在我们的例子中，这个角色是由物体的质量（主要是暗物质）发挥的。通过了解星系、恒星等可见物体的数量和质量、到透镜物体和观测恒星的距离，并通过计算图像偏差程度，科学家可以计算出暗物质质量的分布。
据研究，暗物质约占宇宙的80%，而行星、星系等可见物质仅占20%。这些数值并不是最终的——对恒星和星系的观测不断进行，因此数据正在逐渐完善。例如，最近利用盖亚望远镜的数据发现，银河系中暗物质的质量只有之前认为的一半。此外，科学家不仅单独跟踪每个空间物体，还生成可以推断到整个宇宙的一般统计数据。
科学家正在努力确定物质由哪些粒子组成。有不同的模型可以解释暗物质是由什么以及如何构成的。WIMP（弱相互作用大质量粒子）和轴子是目前最流行的两个假设。
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WIMP（弱相互作用大质量粒子）是仅通过重力相互作用的重粒子。这个概念是由美国宇宙学家迈克尔·特纳于1986年提出的。
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轴子是一种轻粒子，诺贝尔奖获得者 Frank Wilczek 和 Steven Weinberg 在 20 世纪 70 年代就预言了轴子的存在。轴子与普通物质的相互作用微弱，可以在强磁场中转化为光子。
然而，这些假设的粒子尚未在实验室或天体物理观测中被发现。
为了探测暗物质粒子，来自世界各地的科学家正在采用不同的技术进行实验，包括以下几种方法：
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他们正试图使用位于地下实验室的敏感探测器来捕获颗粒。按照计划，地球的厚度应该阻止所有来自太空的粒子，除了暗物质粒子。穿过地下实验室后，暗物质粒子进入一个特殊的圆筒，其中储存有惰性气体（氙或氩）。其中，粒子与气体相互作用，将其电离，然后自身分解成可见粒子——光子。气缸中发生的事件由探测器记录。根据反应的特征，它可以确定传入的粒子是否与暗物质有关。
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使用碰撞器。这些巨大的装置可以将带电粒子束（电子、质子和离子）加速到接近光速，并迫使它们相互碰撞。科学家认为，碰撞的结果可能会诞生科学界未知的粒子，特别是那些与暗物质有关的粒子。2012 年，在大型强子对撞机的实验之后，欧洲核子研究中心的科学家发现了希格斯玻色子，这是一种不可分割的粒子，它负责其他一些基本粒子中质量出现的机制。希格斯玻色子已成为标准模型（描述微观世界粒子的理论）中最后一个缺失的元素。
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使用电磁陷阱中的粒子进行精密实验。在这样的陷阱中，可以长时间保留和控制单个电子、原子和分子。这使得能够以万亿分之一的精度测量原子的振动频率，从而可以确定其属性，例如磁矩。现代量子理论使得以大致相同的高精度计算该磁矩成为可能。如果暗物质以某种方式与普通物质相互作用，即使是非常微弱的相互作用，也会导致磁矩偏离预测值。比较理论和实验提供了检测这种偏差的机会，从而看到暗物质的表现。
ITMO 正在该领域进行哪些类型的研究？
ITMO在暗物质领域有几个研究小组，他们的研究包括以下方面：
1) 物理学院副教授、"拓扑超材料基础物理研究"前沿实验室负责人Maxim Gorlach团队正在加入一个国际联盟，致力于寻找宇宙轴子。他们最近与诺贝尔奖获得者Frank Wilczek合作，描述了一种超材料，可以用作测试轴子特性的平台。这些超材料是人工制造的，其电磁特性由其化学成分和结构决定。通过研究超材料中的准粒子行为，科学家们希望能够观察到与假设的轴子相似的特性。
2) ITMO物理学院的Andrei Volotka教授领导的科学小组利用量子电动力学图进行高精度计算，预测原子系统的磁矩。磁矩是衡量物质磁性的量，表示物质产生和感知磁场的能力。测量这个参数对于电子和各种原子都非常重要。理论物理学家通过一系列修正不断提高计算的准确性，而实验物理学家则使用高精度实验来验证计算结果。通过精确测量和计算，科学家们希望能够发现偏差，这些偏差可能表明存在新的粒子，特别是与暗物质相关的粒子。
以上是ITMO在暗物质研究领域的一些研究方向和成果。