Environmental effect in direct detection of cosmic-ray accerated light dark matter
| Project/Area Number |
21K03562
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
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| Research Institution | Okayama University of Science |
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Principal Investigator |
長尾 桂子 岡山理科大学, 理学部, 講師 (90707986)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中 竜大 東邦大学, 理学部, 講師 (00608888)
東野 聡 神戸大学, 理学研究科, 学術研究員 (00895469)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 暗黒物質 / 暗黒物質の密度プロファイル / 宇宙線 / Wボソン / 直接検出実験 / 標準模型を超える物理 / 銀河中心方向 |
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| Outline of Research at the Start |
暗黒物質の直接検出実験の結果から、従来の想定より軽い暗黒物質が有望視されはじめた。軽い暗黒物質は検出が難しいと考えられてきたが、宇宙線に加速される現象を通じて、検出実験での制限や検出が可能になることが近年提案された。本研究では、宇宙線によって加速され地球に飛来する軽い暗黒物質を検出するために検出器に求められる性能、また検出可能な質量や相互作用の範囲を明らかにする。軽い暗黒物質の到来は、銀河系での暗黒物質や宇宙線の分布、地球内部での減衰とといった環境による影響をうけるため、これらをの影響を検討し考慮した上で、シミュレーションを通して検出能力を調べる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年の暗黒物質の直接検出実験の結果から、MeVスケール以下の質量を持つ軽い暗黒物質が有望視されている。このような軽い暗黒物質は宇宙線によって加速され、高い運動エネルギーを伴うイベントとして検出される可能性が指摘されている。
本研究では、特に暗黒物質密度が高い銀河系の中心方向から、宇宙線による加速を受けて地球に到来する暗黒物質を方向の情報を用いて検出する手法について検討を行った。N体シミュレーションの結果から示唆される暗黒物質の代表的な３つの密度分布（NFWプロファイル、Einastoプロファイル、isothermalプロファイル）を想定して、実験で検出される方向情報をシミュレーションした。その結果、方向情報を検出できる直接検出実験であるNEWAGE(CYGNUS)実験、NEWSdm実験での、宇宙線に加速される暗黒物質の将来的な検証可能性を示した(arXiv:2211.13399, 投稿中)。
また、当該年度である2022年には、CDF実験から、測定されたWボソン質量の異常が報告された。この報告を受けて、Wボソンの質量異常やこれまでに示唆された実験結果から示唆される素粒子模型を離散対称性やU(1)R対称性、U(1)Lμ-Lτ×U(1)H対称性などを用いて構築し、実験の制限から許されるパラメータ領域を示した。特に、それらの模型に含まれる暗黒物質の性質や観測からの制限を明らかにした（Phys.Rev.D 106 (2022) 11, 115011）（Eur.Phys.J.Plus 138 (2023) 4, 365）（arXiv:2212.14528, 投稿中）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の研究計画の目標は、宇宙線によって加速される軽い暗黒物質の到来情報をシミュレーションし、検証の将来的な可能性を明らかにすることであった。この結果は当該年度でまとめることができ、現在論文を学術誌に投稿中である。
一方で、宇宙線によって加速される暗黒物質は高い運動エネルギーをもつため、直接検出実験での標的との散乱が非弾性散乱となる場合があると考えられる。暗黒物質の非弾性散乱は、暗黒物質の素粒子論的な性質や相互作用に大きく左右されるため、当該年度では弾性散乱にはならない散乱を含めず解析した。しかし実際は、含めなかったイベントも解析結果に大きく影響すると考えられるため、弾性散乱以外の散乱を起こす場合について今後検討していく必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
【現在までの進捗状況】で述べた通り、直接検出実験での暗黒物質と標的の散乱のうち、弾性散乱以外の散乱イベントを検討し、解析に含める必要がある。今後は、素粒子論的なWIMP暗黒物質を想定し、その相互作用の種類によって起こる弾性散乱以外の散乱を分類し、シミュレーションに含めて解析を行う。
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Report
(2 results)
Research Products
(30 results)
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[Presentation] エマルジョン暗黒物質探索実験NEWSdm(1)～全体報告～2022
Author(s)
中竜大, 小林龍太, 白石卓也, 大島仁, 佐伯加奈, 赤松咲耶, 森崎紘明, 浅田貴志, 梅本篤宏, 佐藤修, 中野敏行, 久下謙一, 星野靖 他 NEWSdmコラボレーション
Organizer
日本物理学会2022年次大会
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Author(s)
中竜大, 白石卓也, 小林龍太, 梅本篤宏, 大島仁, 佐伯加奈, 赤松咲耶, 森崎紘明, 佐藤修, 中野敏行, 久下謙一, 浅田貴志, 他 NEWSdmコラボレーション
Organizer
日本物理学会2021年秋季大会
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