暗物质候选体与粒子模型

许多理论提出了暗物质的可能构成，从弱相互作用大质量粒子到超轻轴子，每种理论都预示着不同的发现方式。

Definition

暗物质候选体是假想的粒子或天体，它们可能构成非重子暗物质，其特征在于它们的质量、相互作用强度以及产生观测到的残余丰度的宇宙学机制。

Scope

本主题涵盖了主要的暗物质粒子候选体，包括弱相互作用大质量粒子、轴子、惰性中微子和原初黑洞，以及决定其残余丰度的产生机制，如热冻结，以及激励这些候选体的理论框架，如超对称性。

Core questions

• 哪些粒子可能构成暗物质？
• 每种候选体如何获得正确的宇宙丰度？
• 为什么WIMP和轴子被认为具有特别充分的理论动机？

Key concepts

• WIMP
• 轴子
• 惰性中微子
• 原初黑洞
• 热冻结
• 残余丰度
• 超对称性

Key theories

热残余WIMP

早期宇宙中处于热平衡的弱相互作用大质量粒子（WIMP）冻结后，其残余丰度自然接近观测到的暗物质密度，这种巧合被称为WIMP奇迹。

轴子和轻粒子候选体

超轻玻色子，如轴子，最初是为了解决粒子物理学中的一个问题而提出的，它们可以在早期宇宙中非热产生，并表现为冷暗物质，为WIMP提供了一种替代方案。

Mechanisms

热候选体在湮灭率低于膨胀率并冻结之前保持平衡，通过其截面确定残余密度；非热候选体（如轴子）通过场振荡产生，而可行的候选体必须具有冷、慢的特性才能与结构形成相匹配。

Clinical relevance

候选体图景指导着实验策略：假定的质量和相互作用强度决定了暗物质是最好在地下探测器中寻找、通过望远镜搜寻湮灭产物、在轴子探测腔中寻找，还是在对撞机中寻找，因此理论和搜寻项目紧密相连。

History

在动力学证据成熟之后，20世纪80年代冷暗物质成为标准范式，超对称WIMP和轴子成为主要候选体；此后数十年的零搜索使得人们的注意力转向惰性中微子、原初黑洞以及更轻或相互作用更弱的粒子。

Debates

WIMP范式的现状

尽管实验灵敏度不断提高，但WIMP探测的缺失引发了关于WIMP是否仍然是最有可能的候选体，或者注意力是否应该转向轴子、更轻的粒子或完全不同的情景的争论。

Key figures

• Gianfranco Bertone
• Dan Hooper
• Joseph Silk
• Helen Quinn
• Roberto Peccei

Seminal works

• bertone2005

Frequently asked questions

什么是WIMP奇迹？

这是指一个具有大致弱尺度质量和相互作用的稳定粒子，在早期宇宙中从热平衡中冻结出来后，其密度自然会达到观测到的暗物质密度，这使得WIMP成为一个具有理论吸引力的候选体。

暗物质可能是黑洞吗？

早期宇宙中形成的原初黑洞是一个可能的候选体，但来自引力透镜、动力学和宇宙微波背景的观测限制将其限制在狭窄的质量窗口内，因此在大多数范围内，它们最多只能构成暗物质的一部分。