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暗物质是当今基础研究的重要前沿课题之一。虽然众多与引力效应有关的观测预示着暗物质的存在，但是目前尚没有其他的证据能够证实它的存在，也就是说暗物质的本质仍然是未知的。暗物质很可能是由某种新粒子组成的，所以研究暗物质粒子的物理性质就成为粒子物理和天文学的核心问题。为了研究暗物质粒子的物理性质，人们通常利用三种主要的探测方法，即对撞机探测，直接探测和间接探测。暗物质探测的核心在于探测暗物质和标准模型粒子相互作用引起的各种信号。对撞机探测主要探测对撞机上产生的丢失能量信号。直接探测主要探测暗物质粒子和原子核散射引起的原子核反冲信号。间接探测主要探测暗物质湮灭或衰变产生的反物质粒子，光子和中微子等信号。人们希望通过对暗物质探测实验信号的分析，进一步的认识暗物质粒子的性质。在本文中，首先综述了暗物质的一般特性，产生机制，分布以及一些目前流行的暗物质理论模型。在此基础之上详细讨论了几年来本人参与过的有关暗物质粒子性质几个研究工作：
（1）本文的一个主要工作是基于PAMELA等实验的结果，对与轻子相互作用的暗物质粒子性质的研究。2008年的PAMELA，ATIC实验发现了宇宙射线正电子明显超出天文学已有模型的预言，但是反质子的流强仍然与模型相符。文中分析了传播模型对Pamela的观测的影响，发现需要存在额外的正电子源来解释实验结果。如果假设暗物质粒子引起了这样的正电子超出，那么这样的暗物质就具有很多新的特性，主要是它倾向于与轻子相互作用，而非一般认为的与夸克相互作用。通过分析，本文相应的指出：如果暗物质可以非常缓慢的衰变，质量为O（TeV），寿命为O（1026）s，其主要衰变产物为带电轻子，那么具有这种性质的暗物质粒子可以很好的解释Pamela的实验观测结果。在R宇称破坏的超对称模型里就包含这种性质的暗物质粒子，本文详细讨论了在这个超对称模型里正电子的能谱，并讨论能谱对于模型参数的限制。可以解释PAMELA观测的参数同时也可以解释ATIC的观测。湮灭暗物质同样也可以解释PAMELA的观测，但前提是今天暗物质的湮灭截面远大于热平衡产生正确暗物质残留密度所需的3×10-26cm3s-1。另外由于PAMELA等实验发现的正电子超出流量很大，这往往伴随着大流量的光子和中微子信号。基于这种考虑，本文还系统讨论了对相关gamma光，同步辐射和高能中微子信号的预言，试图区分解释Pamela观测的三种可能的物理图像，即衰变暗物质，湮灭暗物质与天文（如脉冲星）来源。这里的研究表明由于暗物质湮灭在银心处的增强，使得它产生的信号比衰变暗物质更容易发现，同样也更容易受到实验的限制。这些研究结果对于未来的实验观测提供了重要的理论依据。
（2）暗物质的成分和相互作用可能是非常复杂的，其中一类模型认为同时需要TeV量级的暗物质和GeV量级的轻玻色子来解释PAMELA等实验的结果，即提供了暗物质湮灭截面远大于热平衡产生正确的暗物质残留密度所需截面的一种机制。是否存在这种性质的轻玻色子，甚至这个物理图像正确与否能够通过低能加速器实验来回答。文中研究了如何在低能正负电子对撞机上，特别是BEPCⅡ上通过BESⅢ来探测e+e-碰撞产生的这种轻的规范玻色子。研究表明BESⅢ可以探测到与轻子耦合系数为O（10-4）的O（GeV）玻色子。如果这种轻玻色子存在，它还可能表现为其他信号。假如这种轻玻色子的寿命比较长，本文还提出了如何在宇宙射线里产生这种轻的粒子，并且通过大型的中微子探测器来探测这种由宇宙射线产生新的轻玻色子。研究表明如果轻玻色子能够有效的在探测器内衰变，那么在O（k㎡）的探测器上每年最多可以观测到O（10）的事例。
（3）如果暗物质和核子的相互作用不是通常假设的弹性散射，而是非弹性散射，这种模型对于直接探测信号的预言将完全不同，同时这种模型也会改变太阳束缚的暗物质湮灭产生高能中微子的预言。文中详细讨论了如何通过太阳高能中微子的探测来对模型进行限制。通过分析发现如果暗物质和核子的相互作用主要是自旋无关（自旋相关）的非弹性散射，那么对暗物质捕捉起主要作用的元素是铁（Fe）（铝（Al））。如果这种模型同时也用来解释DAMA或CDMSⅡ的观测，那么Super-k的观测已经对暗物质到tt，W+W-，тт等湮灭道给出了很强的限制。
（4）在超对称模型中，不同的超对称破缺机制往往对应着性质不同的暗物质。通过对暗物质信号的研究，有可能获得对模型参数，进而对于超对称破缺机制有进一步认识。文中具体讨论了反常导致超对称破缺（Anomaly MediatedSupersymmetry Breaking，AMSB）模型中暗物质在太阳中产生的高能中微子信号。研究表明如果要在IceCube上发现这样的中微子信号，需要暗物质粒子（neutralino）和核子之间的自旋相关的散射截面不小于O（10-5）pb。
（5）在星系中可能存在具有比通常区域更密集暗物质分布的子结构，因此暗物质的湮灭信号可能被增强。本文分析了子结构对银河系暗物质湮灭产生的中微子信号的影响，研究发现子结构一般只能提供O（1）的增强因子，即这种探测对于通常具有（συ）=10-26cm3s-1的暗物质仍然是非常困难的。
（6）最早镜像模型的提出是为了解决宇称不守恒的问题。在一类镜像模型中可以自然的包含暗物质粒子-镜像粒子，这些稳定的暗物质的成分可能是复杂的，同时质量是较轻的。镜像粒子与标准模型粒子耦合的一个重要途径是通过标量场之间的混合，所以Higgs粒子衰变到镜像粒子就成为此类模型一个独特的信号。文中系统讨论了镜像模型的Higgs粒子唯象学，详细模拟了在大型强子对撞机LHC上探测镜像模型里一个Higgs不可见衰变的过程gg→H→h（→bb）h（→ET）的信号与相应的标准模型背景。这里的数值结果表明，LHC是有可能在5σ置信水平上发现这样的不可见Higgs粒子衰变。