宇宙构成物质中约占27%的暗物质，被提出存在于人类无法感知的“隐藏第五维空间”。这一新理论认为，隐藏维度特有的几何结构决定了暗物质的性质，或可成为解释暗物质近90年未被探测到的框架。
英国谢菲尔德大学研究团队于13日（当地时间）将相关研究成果发表在国际学术期刊《物理评论D》上。该研究由英国皇家学会多萝西·霍奇金高级研究员尤代·柴博士主导。
研究要点如下。暗物质与被称为“暗光子”的粒子一同存在于隐藏维度中。该维度的几何结构会将两种粒子的质量按特定比例排列，形成“共振”状态。研究认为，这种共振在早期宇宙中增强了暗物质的相互作用，而在今天则因条件改变而使相互作用减弱。
◆ 仅凭引力被确认存在的宇宙构成物质
暗物质不发光，也不反射光。任何望远镜都无法直接观测到它。但科学界并不怀疑它的存在，依据就是引力。
根据观测到的星系外缘恒星旋转速度，它们本应被甩出星系之外。因为仅凭可见恒星和气体的质量，无法提供足够的引力来束缚这些恒星。
但现实中，星系形态得以维持。这意味着有看不见的物质提供了额外引力。科学界将暗物质比作“把星系粘在一起的胶水”，正是基于这一判断。
相关观测证据不断累积。早在20世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨·兹威基就通过观测星系团提出了这一问题。20世纪70年代，美国天文学家维拉·鲁宾通过测量星系旋转速度进一步强化了其存在依据。此后，暗物质已从假说发展为标准宇宙学的重要组成部分。巨大质量导致背景天体光线弯曲的引力透镜现象，以及对宇宙早期遗留光线——宇宙微波背景的观测结果，也都指向同一结论。
根据欧洲空间局“普朗克”卫星的观测，恒星和行星等普通物质仅占宇宙总成分的约5%。暗物质约占27%，其余则被归为暗能量。暗能量是导致宇宙膨胀加速的未知因素，与暗物质是不同概念。
暗物质被认为在宇宙结构形成过程中发挥了核心作用。标准宇宙学认为，大爆炸之后，暗物质率先因引力聚集，搭建起结构骨架，其上再聚集普通物质，形成星系和恒星。若能厘清暗物质的性质，将改变对星系形成过程和宇宙演化的计算精度。
它的存在已被确认，但本体仍未被揭示。尽管历经90年的探索，至今尚无暗物质粒子被直接探测到的案例。它被视为现代物理学最难解的重大问题之一。
此前也有若干候选理论。物理学界长期将与其他物质仅弱相互作用的重型假想粒子“WIMP”视为最有力候选；超轻粒子“轴子”也在候选名单之中。全球围绕WIMP展开的探测实验已达数十项，但仍未获得 निर्ण决定性证据。尽管探测器灵敏度代际提升显著，可探索范围不断缩小，也使WIMP假说的立足点被削弱。
暗物质也常出现在大众文化中。在电影《星际迷航》中，它被描绘为摧毁行星的漩涡；在奇幻小说《黄金罗盘》系列中，则以支撑多重宇宙的物质“尘埃”出现。
◆ 将粒子质量排列到共振状态的维度几何结构
谢菲尔德大学研究团队采取了“维度”这一概念路径。人类所认知的世界通常以横、纵、高三个空间维度加上时间组成四维来描述。新理论则假定，在此之外还存在一个不可观测的第五维。
额外维度假说一直是物理学中的长期研究主题。20世纪20年代，欧洲物理学家在统一引力与电磁力的过程中引入第五维；现代弦理论则解释为，额外维度极微小地卷曲起来，因此无法被观测。近年来，也有多项研究检视暗物质存在于额外维度中的可能性。
此次研究在此基础上加入新要素：暗物质与作为力传递粒子的暗光子共同存在于隐藏维度中。暗光子类似于光子作为电磁力媒介粒子，负责传递暗物质粒子之间的相互作用。
物理学界通常将几乎不与普通物质相互作用的未知粒子群归入“暗部门”这一概念进行研究。此次理论设定，正是让由暗物质和暗光子组成的暗部门在额外维度中运作。
研究团队计算显示，隐藏维度特有的几何结构会将暗物质与暗光子的质量精确排列。两者质量只要满足特定比例，就会发生“暗物质共振”现象。研究人员将其比作乐器遇到准确音高时会强烈共鸣。
柴博士表示：“暗物质共振可能改变我们对早期宇宙中暗物质如何生成、以及今天应如何寻找它的理解，是一个极具力量的概念。”
共振概念本身在既有理论中已存在。但以往模型无法从理论内部导出共振条件，必须由研究者预先假定粒子质量恰好匹配。这是物理学界所说的“微调问题”。
新理论对这一点采取了不同处理方式。它认为，质量排列并非假设或偶然，而是从隐藏维度的数学结构中自然导出的。柴博士表示：“以往许多共振模型都把共振当作假设处理，但这项研究提出，共振可以直接源自隐藏维度的几何结构，给出了更深层的起源。”
◆ 同时解释早期宇宙中的相互作用与如今未被探测到的原因
这项理论所针对的正是暗物质研究中的矛盾。按照标准宇宙学，若要形成当前观测到的暗物质数量，暗物质在早期宇宙中必须有强烈相互作用；但另一方面，当前探测器却未能捕捉到相互作用信号。如何用一个理论同时解释这两个条件，一直是未解课题。
大爆炸后，宇宙处于高温高密度状态。粒子不断生成与湮灭，暗物质总量就是在这样的环境中被决定的，这是标准情景。
共振概念可以连接这一差距。逻辑是：在宇宙早期的特定时期，共振条件得到满足，导致相互作用大幅增强；而随着宇宙膨胀并冷却，又偏离了这一条件，相互作用随之减弱。
在共振时期，暗物质之间的碰撞和湮灭反应变得活跃，这一过程决定了今天剩余暗物质的数量。按照这一框架，如今未被探测到的情况并不与理论矛盾。
这样的解释与全球探测实验的现状相呼应。探测方法主要分为三类：使用地下探测器捕捉暗物质粒子撞击原子核瞬间的直接探测；通过宇宙观测寻找暗物质湮灭后留下信号的间接探测；以及在粒子加速器中人工生成暗物质的方式。三条路径中都尚未得到确定性结果。
直接探测实验大多在地下深处进行。由于地表的宇宙射线粒子会在探测器中产生噪声，因此必须通过厚重岩层屏蔽。美国LZ实验使用充满液态氙的探测器，寻找暗物质粒子与原子核碰撞的瞬间。意大利格兰萨索地下实验室也以相同原理开展实验。日本和中国也建有大型地下实验设施，加入这场探测竞争。但决定性信号仍未出现。
韩国研究团队也参与了这场验证竞争。由基础科学研究院地下实验研究团主导的COSINE-100实验，于2025年9月发表分析结果，认为意大利DAMA团队声称在25年间发现的暗物质证据，并非来自暗物质。
DAMA团队长期以地球绕太阳公转过程中，与暗物质碰撞频率会随季节变化的“年调制信号”为依据。COSINE-100使用同类探测器，分析了6年数据后，在国际学术期刊《Science Advances》上发表结论：该信号并非源自暗物质。
在有力候选一个个被排除的局面下，有观点认为，能够解释“未检出”状态本身的理论框架被提出，这一点具有意义。
◆ 为探测实验提供新的搜索目标
研究团队表示，这一理论可为实验物理学家提供明确的搜索目标。
如果暗物质与暗光子的质量按特定比例排列，探测器需要重点关注的质量区间和所需灵敏度范围就会缩小。由于共振条件成立时预期的相互作用强度与质量排列由理论给出，探测实验可优先锁定这一区域。
柴博士表示：“理解暗物质，将是人类认识宇宙由什么构成的重大进展。这项研究把暗物质与隐藏维度这两大基础物理问题连接了起来。”
验证仍是关键。历史上，不少具有数学一致性的理论最终因缺乏实验确认而失去地位。曾被视为有力理论的超对称理论，就因欧洲大型强子对撞机未发现预言粒子而削弱了支持基础。隐藏维度理论同样需要可观测信号来判断其是否成立。
韩国国内的验证基础已经具备。位于江原道旌善邑美山地下1000米处的Yemi实验室，是2022年竣工的大型地下实验设施。它利用铁矿山巷道建设而成，需先乘电梯垂直下降600米，再沿斜坡通道前行近800米才能抵达实验室。按面积计算，它位居全球第六。
地下实验研究团正计划在此开展提升探测性能的下一代COSINE实验。Yemi实验室还同步进行AMoRE实验，用于与暗物质探测并行研究中微子性质。拥有如此深层地下实验设施的国家在全球仅属少数。业内也认为，未来实验设计有可能吸纳这一新理论提出的目标。
暗物质探测在衍生技术层面也受到关注。为捕捉微弱信号而开发的超高灵敏探测器、极低温冷却、低噪声电子设备与量子测量技术，已被应用于医学影像、计算和通信领域。基础物理实验与产业技术开发之间，形成了相互联动的结构。
隐藏维度是否存在，终究要由实验来裁定。当前的阶段，是理论提出搜索目标、实验进行验证的阶段。