暗物質，顧名思義，就是宇宙中不會與光産生很強相互作用的“暗”的物質。通常認為，較難利用電磁波的觀測手段發現暗物質的蹤迹。另一方面，暗物質會參與引力相互作用；當暗物質大量聚集時，它們之間強烈的引力效應會對周圍的發光物質産生影響（如星體的運動、物質的分布等）。科學家通過對這些引力效應進行觀測，已經基本确認暗物質的存在。事實上，暗物質不僅存在，而且大量存在并廣泛分布。根據宇宙學各種觀測，人們推斷，宇宙中暗物質的豐度（即含量）是生活中常見的普通物質（如質子、中子等）的五倍多。科學家對普通物質已經有了深入而具體的研究和理解，但是對這個五倍大的新的“暗”世界幾乎還一無所知。暗物質是當今理論物理學最大的謎題之一。

當前，人們對暗物質最重要的認識就是其在宇宙中的豐度。為了對暗物質約占宇宙中能量的27%給出解釋，首先需要了解暗物質在宇宙早期是如何演化的以及暗物質所參與的相互作用。科學家最早提出的猜想是所謂弱相互作用大質量粒子（weakly interacting massive particles, WIMPs）；在這一框架下，暗物質以粒子形式存在，并且可以與普通物質發生相對較弱的相互作用，其質量約為100 GeV（即質子質量的100倍左右）。大量的暗物質探測實驗随之被提出和實施，然而迄今為止，人們尚未在實驗中發現暗物質的蹤影，由此也給弱作用大質量粒子帶來嚴峻的挑戰。

beat365官方网站理論物理研究所、核物理與核技術國家重點實驗室朱守華課題組長期關注超出标準模型新物理的研究，近日提出一種新的催化機制，用來解釋宇宙中暗物質的豐度，為暗物質的理論探索提供了新思想，也為暗物質的實驗探測提供了新的候選目标。他們的研究發現，引入新的催化機制後，盡管暗物質與普通物質之間的相互作用比原來設想的弱得多，仍然能夠得到正确的暗物質豐度。在這樣的猜想中，暗物質的早期演化主要依賴于它們與催化劑之間的相互作用，而不是與普通物質之間的相互作用。具體而言，暗物質與催化劑之間需要有如下兩種作用方式：（1）兩個暗物質粒子湮滅到兩個催化劑粒子；（2）三個催化劑粒子湮滅到兩個暗物質粒子；也就是說，三個過程（1）搭配兩個過程（2）就等效于六個暗物質粒子湮滅到四個暗物質粒子（見下圖），從而實現暗物質粒子數的變化，并最終演化為所觀測到的豐度。這一新機制适用于質量為1 MeV～100 TeV的暗物質，伴随着獨特的現象學，未來進一步的實驗觀測将有助于鑒别其合理與否。

相關研究成果以“暗物質通過催化湮滅脫耦”（Dark matter freeze-out via catalyzed annihilation）為題，2021年8月6日發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）；beat3652017級博士研究生邢傳陽為第一作者，朱守華和邢傳陽為共同通訊作者。

暗物質粒子湮滅過程示意圖

（藍色表示暗物質粒子，紅色表示催化劑粒子）

上述研究工作得到國家自然科學基金，以及beat365高能物理研究中心、量子物質科學協同創新中心支持。

論文原文鍊接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.061101