20世纪初以来，越来越多的科学观测证据表明，在宇宙中，我们已知的物质只占5％，剩下约25％来自暗物质，而约70％来自暗能量。可以说，暗物质和暗能量是21世纪最大的科学谜团。

之所以称为“暗”物质，是因为我们只能通过引力“感觉”到它，而“看”不到它。70多年前，瑞士天文学家弗里兹·兹威基（Fritz Zwicky）通过观测星系团最早提出了宇宙中存在暗物质。兹威基研究了距离我们约两亿光年的COMA星系团，他先测量了星系团中各个星系的亮度，通过已知亮度和质量的关系，得出了可以看见的星系团质量。接下来，他又测量了各个星系的公转速度以及它们到星系团中心的距离，通过牛顿引力定律计算出了星系团的总质量。这就类似于通过人造卫星的高度和公转速度可以计算出地球的质量。兹威基通过比较发现，引力质量比可见质量大了100倍。由于星系团中的星系具有极高的运动速度，其总的可见质量不足以约束星系成员。星系团的总质量必须是可见质量的100倍以上。也就是说，99%以上的质量是看不见的，我们只能通过引力“感觉”到它们的存在，兹威基就将这些质量称为暗物质。对其他星系团的观测也给出了类似的结果。

尽管兹威基的结果在刚发表时许多人并不相信，但此后越来越多的、来自不同实验观测的结果都间接证实了暗物质的存在。比如，和兹威基观测星系团同样的原理，通过观测星系中恒星的公转速度，也确认了星系中有大量暗物质存在。我们的银河系中暗物质总质量是可见物质（包括发光的恒星和不发光的星际气体物质等）的20倍。此外，还有引力透镜、星系碰撞和宇宙微波背景辐射等观测都间接证实了暗物质的存在。

到了今天，众多的观测结果对暗物质的候选对象有了一定的限制，但至于它到底是什么，还是个谜。我们知道它只参与引力作用，不是我们今天已知的任何一种粒子，它不发光，我们看不到它（不参与电磁相互作用），它的运动速度不能太快（是“冷”的暗物质），甚至它是不是粒子也还没有最终定论。关于暗物质究竟是什么，研究者曾对这种物质可能的形态做过很多理论上的猜测。就目前而言，被研究得最多也是最被看好的暗物质模型，是所谓弱相互作用重粒子（Weakly Interacting Massive Particle，WIMP）。这种粒子的特点是虽然没有电磁相互作用和强相互作用，但是参与弱相互作用，同时质量比质子和中子大。WIMP之所以成为暗物质的热门候选者主要有3个原因：首先，WIMP具有“冷暗物质”的各种性质，而且基于冷暗物质的宇宙学模型与观测符合得比较好。其次，在粒子物理理论中比较容易构造出符合WIMP特点的粒子。例如，流行的超对称理论就预言可能存在最轻超对称粒子，这种粒子如果不带电就很容易符合WIMP的特性。也就是说，WIMP不是我们单单为解释暗物质凭空想象出来的，它有很强的理论背景。目前位于欧洲粒子物理研究所（CERN）的大型强子对撞机（LHC）已经开始运行，它的一个重要目的就是要找这种WIMP。最后，WIMP具有弱相互作用截面，而按照统计物理的粒子退耦理论计算，WIMP的数量也刚好和暗物质密度的观测值在同一个数量级。即WIMP可以很好地放入我们今天的宇宙理论模型里。因此，目前大部分暗物质探测实验是针对WIMP设计的。