CMB and DM (Cosmic Microwave Background and Dark Matter) ~ ~

(1)

CMB and DM

(Cosmic Microwave Background and Dark Matter)

~

宇宙のムラムラ具合を見て

黒さを知るはなし

_~

理学研究科宇宙線研究室

助手

身内賢太朗

2003 2003年度「宇宙の物理学」年度「宇宙の物理学」特別講義特別講義2003₂₀₀₃年年66月月22日日

(2)

はじめまして

身内賢太朗、宇宙線研究室の助手です。

東大で暗黒物質探索実験（神岡）やって博士

論文書いて、去年京都に来ました。

今は

μ

-

_-

PIC

（ガス検出器）の開発をしてます。

今日は宇宙背景輻射（

CMB

_CMB

）の話から、暗黒

物質（

_DM

）の話につなげます。

今日の講義の内容は

http://www http://www--cr.scphys.kyotou.ac.jpcr.scphys.kyotou.ac.jp// member/miuchi/education/lecture/2003_1st/ member/miuchi/education/lecture/2003_1st/

に

up

_up

しますし多分試験とかにも関係ないだろ

うからノート取らずにお気楽に聞いてください。

理学部

(3)

参考文献など

杉山直

「膨張宇宙とビッグバンの物理」

岩波書店岩波書店岩波講座岩波講座物理の世界物理の世界地球と宇宙の物理５地球と宇宙の物理５

NASA/WMAP Science Team

(http://lambda.gsfc.nasa.gov)

NASA/WMAP Science Team

(http://map.gsfc.nasa.gov)

(4)

1.

1. CMB

CMB

：宇宙背景輻射

ってっていうか、何？いうか、何？ WMAP_WMAPの最新結果の最新結果どうやって見たん？どうやって見たん？衛星、検出器の話衛星、検出器の話どんくらいムラムラしてるどんくらいムラムラしてるん？ん？定量評価定量評価で、ムラムラの正体は？で、ムラムラの正体は？最低限の宇宙論最低限の宇宙論宇宙の黒さは？宇宙の黒さは？宇宙の組成宇宙の組成

2.

2. DM

_DM

：暗黒物質探索実験

細々と細々と。。。。。。アクシオン探索アクシオン探索おまけで見れんかなおまけで見れんかな?_? 間接探索間接探索やっぱ直視したいね。やっぱ直視したいね。直接探索直接探索

(5)

2/12 Asahi.com

WMAP

(6)

Road to WMAP

(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)

NASA/WMAP Science Team (http://lambda.gsfc.nasa.gov)

1965：Penzias & Wilson 宇宙３K 輻射 1992：COBE ・黒体輻射に一致・ムラムラを発見 (３K に対して1/105₎ 2001：WMAP 更に細かい構造

(7)

1.

1. CMB

CMB

：宇宙背景輻射

ってっていうか、何？いうか、何？ WMAP_WMAPの最新結果の最新結果どうやって見たん？どうやって見たん？衛星、検出器の話衛星、検出器の話どんくらいムラムラしてるどんくらいムラムラしてるん？ん？定量評価定量評価で、ムラムラの正体は？で、ムラムラの正体は？最低限の宇宙論最低限の宇宙論宇宙の黒さは？宇宙の黒さは？宇宙の組成宇宙の組成

2.

2. DM

_DM

：暗黒物質探索実験

(8)

WMAP

衛星

2001

2001年

年

₆

月

₃₀

日打ち上げ

(Kennedy Spaceflight Center) (Kennedy Spaceflight Center)

NASA/WMAP Science Team (http://map.gsfc.nasa.gov//m_or.html)

L2 Lagrange

(9)

http://www.physics.montana.edu/faculty/cornish/lagrange.html

Lagrange points

って？

地球と太陽の重力で安定な点

全部で

₅

点（

_L1~L3

、

_L4~L

５で若干性質の違い）

太陽を見る為に上げられたSOHO

太陽には用が無いWMAP

• 余談ですが、太陽-木星の_{L4 L5には沢山見つかって} います。

(10)

もっと詳しく

WMAP

_WMAP

衛星

140°

(11)

WMAP

の検出器

140

140 °

°

離れた二点の温度差を測定

22

22 、

、

30

30 、

、

40

40 、

、

60

60 、

、

90 GH

ｚ

(13~3mm)

の

5

5 周波数の

周波数の

マイクロ波を観測

0.3

0.3 °

°

の角度分解能

(COBE

は７

°

)

(12)

1.

1. CMB

CMB

：宇宙背景輻射

ってっていうか、何？いうか、何？ WMAP_WMAPの最新結果の最新結果どうやって見たん？どうやって見たん？衛星、検出器の話衛星、検出器の話どんくらいムラムラしてるどんくらいムラムラしてるんん？？定量評価定量評価で、ムラムラの正体は？で、ムラムラの正体は？最低限の宇宙論最低限の宇宙論宇宙の黒さは？宇宙の黒さは？宇宙の組成宇宙の組成

2.

2. DM

_DM

：暗黒物質探索実験

(13)

ゆらぎの定量評価

多重極モーメントで展開

• l ：モーメント数 • l ~ 180/θ

l

=1

、双極子のイメージ

(

赤は見ない。

)

・銀河系のCMBに対する運動によるドップラー効果 360°

(14)

角度パワースペクトル

NASA/WMAP Science Team

モデル

(15)

WMAP

以外の観測

地上からの

CMB観測

_CMB

観測

：

_CBI

、

_ACBAR

地上からの銀河・クェーサーサーベイ

：

_2dFGRS

Lyman

α

forest

http://galaxy.cc.osaka-kyoiku.ac.jp/cd-rom/glossary/g-galaxy.htm#universe_Ly-a

視野は狭いがより細かい構造を見れる

大規模構造を知ることが出来る

(16)

1.

1. CMB

CMB

：宇宙背景輻射

2.

2. DM

_DM

：暗黒物質探索実験

(17)

宇宙の歴史

4

4 万年

万年

:

放射優勢

⇒

物質優勢

40 40万年：電子と陽子が結合

万年：電子と陽子が結合

⇒

光子は散乱相手を失い、宇宙は光子にとって透明に。

• 最終散乱面 / 晴れ上がり / 水素原子形成 / 再結合 暫し板書を。 http://www.nao.ac.jp/nao_news/data/NASA030211

(18)

1.

1. CMB

CMB

：宇宙背景輻射

2.

2. DM

_DM

：暗黒物質探索実験

(19)

宇宙の組成

詳細は

_astro

_-

ph/0302209に。

_ph/0302209

に。

Ω

_tot

_=1.02

stars=0.005

(20)

Ω_K=0 Ω_K < 0 Ω_K > 0

宇宙の曲率

第一ピークの位置

Ω

_K_K

₌₀

なら

l

_l

_{= 225}

Ω

_K_K

_>0

⇒

見込む角：大

⇒

l

_l

_{< 225}

Ω

_K_K

_{< 0}

⇒

l

_l

_{> 225}

Ω_tot=1.02±0.02 l ~225 水素原子生成期の宇宙は 現在~0.8°に見える。 ⇒180/0.8=225 http://www.nao.ac.jp/nao_news/data/NASA030211 曲率は0

(21)

バリオン密度

Ω

_b_b

第一ピークと第二ピークの高さの比

バリオン

_-

光子振動と

単振動とのアナロジー

• 伸びた状態でスタート • 重いほど(バリオンが多いほど)縮む ＝第一ピークの高さが増す • 第二ピークの高さは重さに拠らない • 比を取ることでバリオン密度が求まる Ω_b=0.04

(22)

物質密度

Ω

_m_m Ω Ω_m_m 小小⇔⇔ 放射優勢−物質優勢転換期が最近放射優勢−物質優勢転換期が最近ゆらぎは物質優勢になってからゆらぎは物質優勢になってから放射優勢−物質優勢転換期が最近放射優勢−物質優勢転換期が最近 ⇔⇔ ゆらぎのスケール大ゆらぎのスケール大 Ω Ω_m_m 小小 ⇒⇒ l_l 小のピークが高くなる小のピークが高くなる Ω_m=0.27

(23)

暗黒物質の温度（

₌

速度）

CDM (cold dark matter) or HDM (hot DM) ?

大規模構造のゆらぎから

_HDM

として考えられる

ν

の

量に制限

Ω

_ν_ν

_h

22

_<0.076

⇒

_⇒

_DM

は冷たい

_は冷たい

(24)

WMAP

一年目の成果

「インフレーション

₊

宇宙定数入りの冷たい暗黒物

質モデル」の予言とぴたり一致

以下

_WMAP+

他の測定の結果

h

= 0.71

+0.04+0.04 --0.030.03

Ω

_m_m

_h

22

_=0.135

+0.008+0.008 --0.0090.009

Ω

_b_b

_h

2 2

_{= 0.0224}

±

_±

_0.0009

Ω

_tot_tot

_{= 1.02}

±

_0.02

と・いうわけで、

DM

（

CDM

）探しますか。

Ω

_tot

=1.02

(25)

1. CMB

：宇宙背景輻射

2.

2. DM

_DM

：暗黒物質探索実験

(26)

NIM A444(2000)569

Axion

QCD

における強い

CP

問題

の解決の為に、

_Peccei

_-

-Quinn

Quinn

によって

1977

年に提

唱

1

1 μ

μ

eV

∼

1meV

の質量を持

てば

CDMとなれる

_CDM

となれる

磁場中でプリマコフ効果に

よってマイクロ波に変換され

る（と言われている）

(27)

Axion

探索実験の結果

まだみつかっていなくて、制限のみ

(28)

1. CMB

：宇宙背景輻射

2.

2. DM

_DM

：暗黒物質探索実験

細々と細々と。。。。。。アクシオン探索アクシオン探索おまけで見れんかなおまけで見れんかな?_? ニュートラリーノ間接探索ニュートラリーノ間接探索やっぱ直視したいね。やっぱ直視したいね。ニュートラリーノ直接ニュートラリーノ直接探索探索

(29)

SUSY

：超対称性理論

標準理論のヒエラルキー問題解決の為に提唱標準理論のヒエラルキー問題解決の為に提唱スピンスピン j _jを持つ通常の粒子に対してを持つ通常の粒子に対して →

→ spin | _{spin |}j j --1/2 | 1/2 | ののSUSY SUSY パートナーパートナー Neutralino

Neutralino χχ ：：gauginogaugino とと higgsinohiggsino の線形結合の線形結合

ニュートラリーノのうちで最も軽いものは安定なので、ニュートラリーノのうちで最も軽いものは安定なので、 CDM CDMの良い候補の良い候補 2 4 1 3 3 2 1

~

H

a

H

a

W

a

B

a

+

=

χ

higgsino : ~ , ~ gaugino wino : ~ :bino ~ 2 1 3 H H W B    gaugino gaugino 1/2 1/2 1 1 gauge boson gauge boson Higgsino Higgsino 1/2 1/2 0 0 Higgs boson Higgs boson slepton slepton 0 0 1/2 1/2 lepton lepton squark squark 0 0 1/2 1/2 quark quark SUSY SUSY粒子粒子 spin spin spin spin 粒子粒子

(30)

Super-KAMIOKANDE

ニュートラリーノの対消滅

ニュートラリーノは重力で地球や太陽に

_trap

される

対消滅して様々な終状態

ν

_μ_μ

が飛んできて

検出器の近くで

μ

と反応

上向き

μ

として検出される

• SK • ANTARES

(31)

対消滅実験の結果

やっぱりみつかっていない

(32)

加速器による探索実験

LEP2 e

--

_{+ e}

++

実験

_実験

（

Zボゾンの研究、

_Z

ボゾンの研究、

_Higgs

探索

を主目的）

Z boson

の崩壊で重いニュートラリーノが生成

軽いニュートラリーノへの崩壊過程を見る際にエネ

ルギー抜けとして見える、だろう。

http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp

(33)

加速器実験の結果

もちろんまだ見つかっていなくて、

ニュートラリーノの質量に制限

χ

＞

_{37GeV ( PDG2002}

）

今後

_{LHC (Large}

_Hadron

_Collider

)で

₎

で

2007

年より

p+

p

衝突実験

http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp

(34)

1. CMB

：宇宙背景輻射

2.

2. DM

_DM

：暗黒物質探索実験

細々と細々と。。。。。。アクシオン探索アクシオン探索おまけで見れんかなおまけで見れんかな?_? ニュートラリーノ間接探索ニュートラリーノ間接探索やっぱ直視したいね。やっぱ直視したいね。ニュートラリーノ直接探索ニュートラリーノ直接探索

(35)

直接探索

ニュートラリーノと原子核弾性散乱

もちろんレートは非常に少ない。と思われる

<1event/kg/day

バックグラウンドを防ぐ為、

地下に潜ってシールド

LiF LiF 結晶結晶

(36)

どうやって「検出」する？

とりあえずスペクトルから散乱断面積に制限

←

今までのほとんどの実験

夏と冬でレートが変わることを利用

←

イタリアグループ

ダークマターの風向き測定

←

今後の展望。身内の野望。

季節変動の例季節変動の例

(37)

現在稼動中の主な検出器

反跳方向反跳方向 ~1 kg ~1 kg CS CS₂₂ 電離電離 ₍₍ガス）ガス） DRIFT ( DRIFT (英英)) Xe Xe Xe Xe CaWO CaWO₄₄ Ge Ge Ge Ge, , SiSi LiF LiF, , NaF NaF Al Al₂₂OO₃₃ NaI NaI Ge Ge 物質物質 ~10 kg ~10 kg ZEPLIN II ZEPLIN II ((英英)) ~1 kg ~1 kg CDMS CDMS (米(米)) ~1 kg ~1 kg CRESST I CRESST I ((独・英独・英)) XMASS II XMASS II ((日日)) CRESST II CRESST II ((独・英独・英)) EDELWEISS EDELWEISS (仏(仏)) Tokyo Tokyo ((日日)) DAMA DAMA ((伊伊)) H/M H/M ((独・露独・露)) 実験名実験名方法方法質量質量特徴特徴 ~1 kg ~1 kg 熱熱 ~10 kg ~10 kg 光光 +₊ 電離電離 ~1 kg ~1 kg 熱熱 ₊₊ 光光 γγ 線弁別線弁別 ( (イベント毎イベント毎)) ~1 kg ~1 kg 電離電離 + ₊熱熱 γ γ 線弁別線弁別 (₍統計的統計的)) ~ ~ 100 kg100 kg 光光 ~10 kg ~10 kg 電離電離

(38)

散乱断面積に対する制限

ニュートラリーノの質量を決めると断面積の制限がつく。

Spin Independent Interaction

(Phys. Lett. B 545 (2002) 43) (Astropart. Phys. 18 (2002) 43)

DAMA’s annual modulation signal (Phys. Lett. B 424 (1998) 448)

EDELWEISS’s exclusion limit (Phys. Lett. B 545 (2002) 43)

Ge Al₂O₃ Al₂O₃ NaI NaI NaI LiF

(39)

107,731 107,731 total total 17,226 17,226 DAMA/NaI DAMA/NaI--77 16,608 16,608 DAMA/NaI DAMA/NaI--66 15,911 15,911 DAMA/NaI DAMA/NaI--55 16,020 16,020 DAMA/NaI DAMA/NaI--44 22,455 22,455 DAMA/NaI DAMA/NaI--33 14,962 14,962 DAMA/NaI DAMA/NaI--22 4,549 4,549 DAMA/NaI DAMA/NaI--11 4,123 4,123 DAMA/NaI DAMA/NaI--00 kg day kg day period period

窮地の

_DAMA/

_NaI

方法としては悪くないんですけどね。方法としては悪くないんですけどね。 PLB 424 (1998) 195 PLB 450 (1999) 440 PRD 61 (1999) 023512 PLB 480 (2000) 23 PLB 509 (2001) 197 PRD 66 (2002) 043503

Residual event rates in the 2-6 keV energy interval

cpd/kg/keV 0.005) (0.022 years 1 days 150 ~ )] ( cos[ 0 0 ± = ∼ / 2 = − + = A T t t t A B S ω π ω

(40)

ダークマターの風向きが分かれば、

こんなのが見えて、

その先こんなことになるかも？

(41)

風向き測定

_?

には、ガス検出器です。

μ

μ-_-PICPICならピッチも小ならピッチも小(DRIFT(DRIFTはは2mm)2mm)

まだ「言ってるだけ」ですけど。まだ「言ってるだけ」ですけど。μμ-_-PICPICの他の応用の他の応用(X(X線とか線とか MeV MeVγγとか中性子とかとか中性子とか))してると検出器の性能が上がってしてると検出器の性能が上がってってって、、十分にレベルが上がったら十分にレベルが上がったら一気に一気にやっつけます。やっつけます。 WIMP WIMP WIND WIND γ γ F F μ