宇宙中大部分的物質並不發出電磁輻射。這類暗物質（Dark Matter, DM）的本質是現代物理學中最重要的未解之謎之一。對暗物質的研究包括直接與間接搜尋，以及利用宇宙學模擬來檢驗不同的理論模型。目前暗物質的兩大主要候選者是超大質量、類 WIMP（弱作用重粒子）的粒子，以及超輕的、類軸子（Axion-like）的粒子。
HKIAA 成員正透過（強）引力透鏡效應來檢驗暗物質暈在單一星系、星系群與星系團尺度上的不同預測，其中前景的宇宙透鏡會將背景星系產生多重影像（Lim, Hannuksela）。他們也在發展先進的暗物質暈與周圍氣體的數值模擬，以研究宇宙的演化（T. K. Chan）。
我們的多位成員亦研究基礎物理問題，並利用天文觀測來加以檢驗。研究主題包括暗物質的本質（Chu, Liu, Zhao, Zhong）、搜尋暗物質訊號（Kenny C. Y. Ng, M. H. Chan）、希格斯玻色子（Liu）、暗部族／暗部門（dark sectors, Zhao, Zhong）、暴脹（Wong, Wang）、宇宙相變（Zhao）、原初黑洞（Wang, Zhang）、黑洞結構（Wong）、奇異夸克星（Chu, Zhang），以及利用宇宙燈塔測試等效原理、光子質量等基本物理（Zhang）。
