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Astroparticle

physics

富山大学

松本 重貴

1. 暗黒物質問題

2. 暗黒物質の正体？

3. 暗黒物質の探査

Astroparticle physicsって何？

素粒子

物理学

宇宙

物理学

ニュートリノ

暗黒物質

暗黒エネルギー

宇宙のバリオン数

インフレーション

・・・・・

宇宙の暗黒物質問題

暗黒物質の存在は確立したが、その正体（質量、スピン、

量子数や相互作用）については不明であるという問題！

暗黒物質が存在する証拠

渦巻銀河の回転曲線

-○ 光で見えない物質（暗黒物質）の存在！

○ 暗黒物質は銀河に付随して存在！

暗黒物質が存在する証拠

-銀河団観測-○ 光で見えない物質（暗黒物質）の存在！

○ 暗黒物質は銀河団にも付随して存在！

暗黒物質が存在する証拠

-宇宙の大規模構造形成-○ 暗黒物質の平均密度：Ω

_DM

～ 0.3

○ 冷たい（非相対論的）暗黒物質を予言

観測（SDSS）

_{シミュレーション}

Ω_DM ＝ ρ_DM /ρ_ｃｒ, , ρ_ｃｒ ＝ １０－５ _ｈ２ _GeV/cm3 _{, h = 0.7}

暗黒物質が存在する証拠

-宇宙背景放射の揺らぎ-○ 暗黒物質: Ω

_DM

h

2

₌

_{0.1099±0.0062}

○ バリオン： Ω

_b

h

2

_{= 0.002273±0.00062}

観測結果（WMAP）

Ω_DM ＝ ρ_DM /ρ_ｃｒ, , ρ_ｃｒ ＝ １０－５ _ｈ２ _GeV/cm3 _{, h = 0.7} T ～ 3000K

暗黒物質が存在する証拠

-銀河団の衝突-○ 赤：バリオン（X線）、青：暗黒物質（重力レンズ）

○ 暗黒物質は相互作用の弱い物質で構成！

暗黒物質が存在する証拠

-まとめ-１． 電気的に中性（カラー価も持たない）。 ２． 宇宙年齢に比べ十分に安定。 ３． 通常の物質（バリオン）ではない。 ４． 非相対論的な運動をしている。 ５． 相互作用が弱い ６． （暗黒物質量： Ω_DM = 0.11） 標準模型に 候補がない！ 暗黒物質は 未知なる素粒子？

暗黒物質の正体？

-正体解明にむけて-DM?

New Physics

beyond SM

Collider

experiments

DM detection

measurements

暗黒物質の正体？

-正体解明にむけて-DM?

New Physics

beyond SM

Collider

experiments

DM detection

measurements

暗黒物質の正体？

-New Physics

が予言する暗黒物質像-（例としてWIMP DM hypothesis）

m₀2 _{(bare mass) Λ}2 _corrections

Hierarchy Problem in SM

(100 GeV)2 _{0.01 (100 TeV)}2 0.01 (1 TeV)2 m_h2 _{= +} ○ 標準模型は1TeVあたりで破綻すると考えられる ○ New Physicsは1TeVあたりで現れる。

=

暗黒物質の正体？

-New Physics

が予言する暗黒物質像-（例としてWIMP DM hypothesis）

New Physicsは1TeVあたりで現れる。 Æ1TeV程度の質量を持つ新しい素粒子達を予 言！ (それらの中には中性な粒子も普通は存在する） 現在までの実験で このような New Physics の兆候なし… Æ NPの素粒子とSMの素粒子を区別する対称性を持つ？ DMの安定性? _{Æ EW観測量にたいするNew Physicsの寄与}

暗黒物質の正体？

-New Physics

が予言する暗黒物質像-（例としてWIMP DM hypothesis）

NP

NPの素粒子とSMの素粒子を区別する対称性を持つ？

(例)

Z

₂

symmetry

SM(x)

_{Æ SM(X) and NP(x) Æ -NP(x)}

NP

SM

NP

SM

SM

○ 最も軽い新しい素粒子は安定となる。 ○ もしこの粒子が中性ならDM候補となる。 （DMのSM粒子への対消滅はZ₂ symmetryを破らない）

暗黒物質の正体？

-New Physics

が予言する暗黒物質像-（例としてWIMP DM hypothesis）

安定で中性な1TeV程度の質量を持つ

素粒子の初期宇宙での振る舞いを考える？

Boltzmann Equation

暗黒物質の正体？

-New Physics

が予言する暗黒物質像-（例としてWIMP DM hypothesis）

Boltzmann Equationの解

Freeze out at T ～ m/20 Æ 冷たい暗黒物質

暗黒物質の正体？

-New Physics

が予言する暗黒物質像-（例としてWIMP DM hypothesis）

Freeze out at T ～ m/20 Æ 冷たい暗黒物質

= α

2

_/m

2 With α ~ 0.1 and m ~ 1TeV = 1 pb Æ Ω

DMh2 = 0.1

安定で中性な1TeV程度の質量を持つ素粒子は 暗黒物質の有力な候補！(WIMP DM hypothesis)

暗黒物質の正体？

-New Physics

が予言する暗黒物質像-Hierarchy 問題 _{Æ WIMP dark matter}

（例） Neutralino in MSSM Heavy photon in LHT, 1st _{KK photon in UED}

Anti-periodic f in GHU

Neutrino 質量 _{Æ Sterile (s) neutrino} Strong CP 問題 _{Æ Axion, Axino}

SUSY breaking _{Æ Gravitino, messenger DM} １． 電気的に中性（カラー価も持たない）。 ２． 宇宙年齢に比べ十分に安定。 ３． 通常の物質（バリオン）ではない。 ４． 非相対論的な運動をしている。 ５． 相互作用が弱い ６． （暗黒物質量： Ω_DM = 0.11）

暗黒物質の正体？

-正体解明にむけて-DM?

New Physics

beyond SM

Collider

experiments

DM detection

measurements

宇宙に存在する DMを使って調べ る。 人工的にDM を作って調べ る。

暗黒物質の探査

現在の宇宙におけるDM分布

220 km/s

太陽系 8kpc

暗黒物質の探査

現在の宇宙におけるDM分布

Diffusion zone

20kpc L L = 1～15kpc

暗黒物質の探査

現在の宇宙におけるDM分布

260kpc

暗黒物質の探査

現在の宇宙におけるDM分布

N-body simulation Æ Universal Profile (fitting) ρ(r) = ρ_c (r/r_c)-γ_{[1 + (r/r} c)α]-(β-γ)/α DM profile (銀河内におけるDM分布）の評価 α β γ NFW 1 3 1 Moore 1.5 3 1.5 King 2 3 0 （r_c & ρ_c は各銀河 で異なる値を取る。）

暗黒物質の探査

現在の宇宙におけるDM分布

Ex.) For NFW profile,

ρ(r_sun) = 0.3 GeV/c.c. & r_c = 20 kpc Æ v_c = 300 km/s = 10-3_c

(Jean’s equation, Maxwell-Boltzmann)

暗黒物質の探査

様々な暗黒物質検出探査法

直接検出： 地上（正確には地下）に設置した物質（検出器）と 暗黒物質との散乱で生じるエネルギーを観測。 間接検出： ハロー中で暗黒物質が対消滅あるいは崩壊した 際に生じる高エネルギー粒子線を観測。 太陽系 DM 対消滅 DM 崩壊 γ, e±_{, p, ν} SM 粒子達 (q, l, W, Z) －

Ge, Xe, etc.

DM

直接検出 _間接検出

暗黒物質の探査（間接検出）

Energetic particles from DM

単位時間、単位体積、単位エネルギーあたりの粒子Iの生成率 DM (DM) W W e ν q q π p γ

対消滅

崩壊

1pc3_{での反応回数(m} DM = 500 GeV, ρ(r) = 0.3 GeV/c.c.)は1023回! (σv = 2×10-26 _cm3_s-1 _{or Γ = 6×10}-30 _s-1₎ 宇宙年齢 = 137億年 = 4.3×1017 _s

k

暗黒物質の探査（間接検出）

電子・陽電子を使った間接検出 ○ 高エネルギー電子・陽電子は １～２ kpcの近傍から来る ○ シグナルは宇宙線中の電子 や陽電子成分の異常フラックス

Static solution & f_e = 0 at the surface of the zone. Diffusion 方程式

暗黒物質の探査（間接検出）

Total Flux

Annihilation or Decay channelの違い

暗黒物質の探査（間接検出）

観測結果

暗黒物質の探査（間接検出）

暗黒物質は観測結果を説明できるか？

HEAT, PAMELA, ATIC, PPB-BETSは同時に説明可能！ Flux の強さ： <σv>～10-23 _cm3_{/s or Γ～10}-26 _s-1_が必要！

k

暗黒物質の探査（間接検出）

反陽子を使った間接検出 ○ 反陽子は質量が重いため、 Zone内に長く留まる ○ シグナルは宇宙線中の反陽子 成分の異常フラックス

Static solution & f_p = 0 at the surface of the zone. Diffusion 方程式

暗黒物質の探査（間接検出）

観測結果

暗黒物質の探査（間接検出）

陽電子異常を説明し、反陽子観測と矛盾しないか？ 反陽子観測にアノマリーは見つからなかった！ 暗黒物質対消滅（崩壊）で、ハドロンジェットを作るような候補は反陽子の 結果を説明することは難しい！（暗黒物質はレプトンとのみ相互作用？） Gravitino Wino

暗黒物質の探査（間接検出）

光子を使った間接検出 ○ まっすぐ飛んでくる！ ○ どの波長を見るか？ ○ どの方向を見るか？ １．物質（暗黒物質）密度 ２．エネルギー領域 ３．対象までの距離 + 見る方向！ (銀河中心、矮小銀河、Diffused γ) DMからの光子 DM (DM) Hard B γ Soft CMB DM (DM) DM (DM) DM (DM) DM (DM) γ γ γ γ _γ

暗黒物質の探査（間接検出）

観測結果

暗黒物質の探査（間接検出）

観測結果

まとめ

¥¥ １． 暗黒物質問題はAstroparticle Physicsにおいて 重要な問題の一つ. （他にも面白い問題は一杯ある） ２． 暗黒物質の存在自身は確立！でも正体はわからず！ ３． その正体はNew Physicsと密接に関係ありと期待 ４． 闇黒物質検出に向けた様々な実験が稼働中！ ５． 電子・陽電子を用いた間接検出： Anomalyあり!! 反陽子を用いて間接検出： Anomalyなし ガンマ線を用いた間接検出： Anomalyなし? 闇黒物質の直接検出： まだSignalなし ６．これからもどんどん新しいデータが出る予定！！！