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因此，即使知道暗物质存在，我们也不知道暗物质的本质。它可以是小型黑洞或者来自额外维度。最可能的情况是，它仅仅是一种新型基本粒子，不具有标准模型的相互作用；它或许是一种稳定的电中性残留物质，会在一个即将被发现的弱能标物理理论中出现。即使的确如此，我们也想知道暗物质粒子的物理性质：质量、相互作用、它是不是一种更广泛的粒子族群的一员。
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图21-1 三管齐下搜寻暗物质。地下探测器主要寻找直接撞击靶核的暗物质；大型强子对撞机也可能产生暗物质，因此可能在实验装置中留下证据；卫星和望远镜则可能发现由于太空中的暗物质湮灭而产生可见物质的证据。
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基本粒子这种解释受到人们青睐的一个原因是：上文所暗示的暗物质的丰度，它所携带的能量份额对于这种假设是一个支持。令人惊诧的一个事实是：一种稳定粒子的质量（根据E=mc2 ）如果处在大型强子对撞机将开始探索的弱能标的量级，那么它的残留密度也即宇宙中该粒子所携带的能量，恰好与暗物质处于同一区域。
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这里的逻辑如下。随着宇宙的演化，温度将会下降。当宇宙处于炽热状态时，重的粒子曾一度丰富。随着宇宙冷却下来，这些粒子逐渐被消耗，因为低温状态的能量不足以产生它们。一旦温度下降得足够低，这些重粒子与其反粒子湮灭使得两者均消失，但是反过来的过程——即它们成对产生，却不再以一个可观的速度出现。因此，由于湮灭，随着宇宙冷却，重粒子的粒子数密度会急剧下降。
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当然，为了湮灭，粒子与反粒子首先必须“兵戎相见” 。[77] 但是当数目降低时，它们变得非常稀缺，湮灭也变得更困难。结果粒子湮灭也随着宇宙的演化变得更不可能，因为这要求至少两个粒子必须处在相同的位置。
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结果是，弱能标粒子基本更稳定，可以存留到今天，而不像纯粹使用热力学所揭示的那样，原因就是从某时刻开始粒子与反粒子已经非常稀薄，它们不能相遇并湮灭。到如今还有多少粒子遗留下来取决于假定的暗物质候选者的质量与相互作用。如果物理学家能知道这些性质，那么我们就可以知道如何计算残留丰度。而令人困惑而又显著的事实是，剩余下来的稳定的弱能标粒子刚好给出了与暗物质一样的丰度。
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我们既不知道粒子精确的质量，也不知道它们的相互作用（更不用说包含稳定粒子的模型），因而我们还不知道前面说到的数目是否有用。然而在浮出水面的两种截然不同现象的两个数据之间，这种偶然的一致性（虽然很粗糙）的确令人很困惑，但它又可能是弱尺度物理可以被用来解释宇宙中暗物质的一个信号。
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广为人知的暗物质的候选者是一种被称为WIMP的粒子，其全称是大质量弱相互作用粒子（Weakly Interacting Massive Particle）。这里“弱”只起到描述的作用而不特指弱相互作用，大质量弱相互作用粒子可能具有的相互作用比标准模型中参与弱相互作用的中微子的作用还要更弱。如果没有关于暗物质及其性质更直接的证据（比如大型强子对撞机可以揭示的），那么我们就不能知道是否暗物质的确由大质量弱相互作用粒子组成。因此实验搜寻是我们接下来所关注的话题。
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大型强子对撞机中的暗物质
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宇宙学家很好奇弱能标上的物理以及大型强子对撞机可能发现的东西，产生暗物质是一种有趣的可能。大型强子对撞机的能量水平刚好能寻找大质量弱相互作用粒子。如果暗物质的确如计算所提议的由弱能标上的粒子组成，那么它也许能在大型强子对撞机中产生。
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即便如此，暗物质粒子也不一定能被发现。毕竟，暗物质不怎么与其他物质发生相互作用。由于它们与标准模型物质的相互作用有限，暗物质粒子不能直接产生或者直接被探测到。即使产生了，它们也仅会穿过探测器。然而，不是所有的粒子都会逃掉（哪怕暗物质粒子将会逃掉）。关于等级问题的任何解释都包含除了标准模型的其他粒子——它们绝大多数具有的相互作用都很强。一些粒子可能产生得很多，接着它们可以衰变成暗物质粒子，进而带走无法测量到的动量和能量。
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超对称模型是这一类型中研究得最透彻的弱能标模型，它自然包含一种切实可行的暗物质候选者。如果超对称在自然中存在，那么最轻的超对称粒子可能可以组成暗物质。这种不带电荷的最轻粒子，相互作用太弱以至于靠自己无法产生足够多的粒子来被发现。然而，胶微子（传递强相互作用力的胶子的超对称伙伴）和超夸克（夸克的超对称伙伴）假如存在，那么可以在正确的能标上产生。如第17章所介绍的，这些超对称粒子最终都会衰变成最轻的超对称粒子。因此，即使暗物质粒子不能直接被制造出来，其他激增的粒子也能够以可以观测到的速度产生出最轻的超对称粒子。
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其他弱能标暗物质的情景如果有可以探测的效应的，基本上也需要以相同的方法产生以及被“测量”。暗物质粒子的质量应该大约在大型强子对撞机可以研究的弱能标。因为粒子微弱的相互作用强度使得它们不会直接被产生出来，但是许多模型都包含其他可以衰变成它们的新型粒子。由此，我们也许可以得知暗物质粒子的存在，并且通过它们带走的能量，还可能知道它们的质量。
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若大型强子对撞机发现暗物质，这当然会是一个重大的成功。如果真的发现了，那么实验物理学家甚至可以研究它的具体性质。然而，要确信大型强子对撞机发现的粒子的确组成暗物质还需要附加的证据。它们也许可以由地面上的以及太空中探测器提供。
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直接探测暗物质的实验
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大型强子对撞机有制造暗物质的潜力这件事的确很吸引人，但是许多宇宙学实验不是在加速器中做的。在地面与太空中的天文实验与暗物质搜寻，才是解释和推进我们对宇宙学问题理解的最主要手段 。
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当然，暗物质与普通物质的相互作用非常微弱，因此当前的寻找基于一个信仰——暗物质虽然几乎不可见，与已知物质（包括探测器也是由它们所造的）的作用微弱，但却不是没有作用。这并非仅仅是一个美好的愿望。它其实基于我们前面提到的关于残留密度的计算，该计算显示，如果暗物质与解释等级问题的模型相连，那么遗留下来的粒子密度恰好可以给出暗物质观测的解释。这种计算提议的许多大质量弱相互作用粒子暗物质候选者与标准模型粒子发生相互作用的速率，也许用目前的暗物质探测仪可以探测到。
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即使如此，因为暗物质的微弱相互作用，这种搜寻需要使用地面上的巨型探测器或者非常灵敏的仪器，以在地面上或者太空中寻找暗物质作用、湮灭以及产生新粒子与反粒子的产物。如果你只买一张彩票的话，那么你很可能中不了奖，但是如果你可以买到超过一半的彩票，那么你的胜算将很高。类似地，许多大型探测器增加了寻找暗物质的概率，哪怕暗物质与探测器中的任何单一核子的相互作用极其微小。
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对于暗物质探测器来说，一个巨大的挑战是检测中性（不带电）的暗物质粒子，而且还要将它们与宇宙射线或者其他背景辐射区分开来 。不带电的粒子与探测器没有传统意义上的相互作用。暗物质穿过探测器的唯一踪迹将是当它撞击探测器中的核子时，使核子的能量发生一点点微小的改变。这是唯一可以观测到的效应，所以探测器除了寻找暗物质粒子通过时产生的微小热量或者反冲能量的证据之外，别无他法。因此探测器设计成要么温度极低要么非常灵敏，就是为了记录暗物质粒子反弹时的一点点热量或者能量沉积。
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这种极冷装置被称为低温探测器（cryogenic detector），当暗物质粒子进入仪器时，它们可以探测其发出的很少量的热量。一个小额的热量进入已经很热的探测器中将很难被发现，但是如果进入的是经过特殊设计的很冷的探测器的话，情况则截然不同，极其微小的热量仍然可以被吸收和记录。低温探测器是采用诸如锗的晶体吸收器所制成的。这类型的实验包括：低温暗物质搜寻计划（Cryogenic Dark Matter Search, CDMS）、CRESST与EDELWEISS[78] 。
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其他类型的直接探测实验涉及惰性液体（noble liquid）探测器。即使暗物质不直接与光发生作用，由于碰撞加入到氙（xenon）或者氩原子中的能量也会引起一种特征发光。有关氙的实验包括XENON100和LUX[79] ，另一个惰性液体实验包括ZEPLIN计划[80] 与氩暗物质实验（ArDM）。
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理论物理与实验物理学界的每一个人都盼望着知道这些实验的新结果将是怎样。2009年，我有幸参加了在加州大学圣塔芭芭拉分校卡弗里理论物理研究所（KITP）召开的一次暗物质会议。两位领头的暗物质专家——道格拉斯·芬克拜纳（Douglas Finkbeiner）与尼尔·韦纳（Neal Weiner）也参与了会议。那时低温暗物质搜寻计划是最灵敏的暗物质探测实验之一，正要公布最新结果。除了同时作为个头很高的年轻一代且一起博士毕业于伯克利大学之外，他们还都对暗物质实验及其可能的含义有着深刻的理解。尼尔有更深的粒子物理学背景，而道格拉斯则做了更多天文物理的研究，但当暗物质的研究表明它涉猎这两个领域，最终两人的研究走到了一起。在会议上，他们搜集了这个领域的理论与实验上最前沿的专业知识。
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我到达的那天上午有一个最精彩的报告。加州大学圣塔芭芭拉分校的哈利·尼尔森（Harry Nelson）教授介绍了低温暗物质搜寻计划的结果。你可能不理解为什么一个讲述老结果的报告会引人注意。原因是会议的每个人都知道三天以后该实验将公布新的数据。一些传言说，低温暗物质搜寻计划的科学家实际上看到了对于某个探索的令人信服的证据，因此每个人都想更好地理解该实验。许多年来理论物理学家一直在听说关于暗物质的探测，但主要是听说它们的结果，并且只对细节有肤浅的关注。但是在可以想象的即将出现的暗物质探测结果出来之前，理论物理学家很渴望了解更多。之前一个星期，结果公布了，却令对此抱有极大希望的听众非常失望。但是在哈利的报告期间，每个人都聚精会神。尽管有许多关于即将发表的结果的尖锐问题，他仍可以坚定地讲述他的报告。
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因为那是一个时长两小时的非正式演讲，与会者可以根据理解的需要随时提问题。该报告很好地总结了听众——主要是粒子物理学家，可能会感到困惑的问题。哈利是粒子物理学家而不是天文学家出身，他讲的方式我们很受用。