Upper bound on mass of supersymmetric dark matter

• Project Area: New expansion of particle physics of post-Higgs era by LHC revealing the vacuum and space-time structure
• Project/Area Number: 19H04609
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 白井 智 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任助教 (10784499)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2020: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2019: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 暗黒物質 / 超対称性 / 超対称

Outline of Research at the Start

超対称性模型は非常に有力な新物理の候補であるが、どのエネルギースケールに超対称性が存在するかは不明である。このスケールを推定するのに暗黒物質の存在が有用であると考えられる。暗黒物質の質量には現在観測されている存在量と無矛盾であるためには上限がある。本研究ではその暗黒物質質量の上限を明らかにし、超対称性スケールの上限を求める。

Outline of Annual Research Achievements

超対称性を持つように拡張された標準模型は最も有望視されている新物理候補の一つである。この超対称性標準模型は標準模型にあった様々な問題を解決することが知られており、特に暗黒物質の予言は最も重要な要素である。しかしながら、史上最大の加速器実験であるLHC実験をもってしても現在までに超対称性の兆候は見つかっていない。仮に超対称性が自然界に実現したとしてもなぜ現在までに発見されていないのか？という問いに対する最も単純な回答は超対称性のスケールが大きすぎて現在の実験に届いていないということだろう。では超対称のスケールには上限があるのであろうか？この問いに対しては暗黒物質の存在量から制限がつけられると期待される。
2019年度では暗黒物質とカラー電荷をもつ超対称性粒子の質量が極めて縮退した場合に、QCDの非摂動効果によってその存在量が極めて抑制され、100 TeVを超える質量をもつ超対称性暗黒物質が現在の観測と矛盾しないことを明らかにした。しかしながら、暗黒物質の存在量の予言は宇宙初期でのプラズマの熱力学的特性などによって左右される。2020年度では暗黒物質の存在量をより正確に推定するためにこれらの熱力学的特性を詳細に調べ、最も精密な暗黒物質の存在量予言を可能にした。またこれらの予言に伴う理論誤差も明らかにした。この結果は超対称性のみならず幅広い範囲の暗黒物質や重力波の存在量にとって重要であり、さまざまな模型についての応用が期待される。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] IACS(インド)
• [Int'l Joint Research] Zhongshan University(中国)
• [Journal Article] Probing dark matter self-interaction with ultrafaint dwarf galaxies (2021)
  • Author(s): Hayashi Kohei、Ibe Masahiro、Kobayashi Shin、Nakayama Yuhei、Shirai Satoshi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 2 Pages: 023017-023017
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.023017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Precise WIMP dark matter abundance and Standard Model thermodynamics (2020)
  • Author(s): Saikawa Ken'ichi、Shirai Satoshi
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2020 Issue: 08 Pages: 011-011
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/08/011
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cosmological constraint on vector mediator of neutrino-electron interaction in light of XENON1T excess (2020)
  • Author(s): Ibe Masahiro、Kobayashi Shin、Nakayama Yuhei、Shirai Satoshi
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2020 Issue: 12 Pages: 004-004
  • DOI: 10.1007/jhep12(2020)004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Role of future lepton colliders for fermionic Z-portal dark matter models (2020)
  • Author(s): Ghosh Dilip Kumar、Katayose Taisuke、Matsumoto Shigeki、Saha Ipsita、Shirai Satoshi、Tanabe Tomohiko
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 101 Issue: 1 Pages: 015007-015007
  • DOI: 10.1103/physrevd.101.015007
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cornering Higgsinos Using Soft Displaced Tracks (2020)
  • Author(s): Fukuda Hajime、Nagata Natsumi、Oide Hideyuki、Otono Hidetoshi、Shirai Satoshi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Issue: 10 Pages: 101801-101801
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.101801
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cosmological constraint on dark photon from Neff (2020)
  • Author(s): Ibe Masahiro、Kobayashi Shin、Nakayama Yuhei、Shirai Satoshi
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2020 Issue: 4 Pages: 009-009
  • DOI: 10.1007/jhep04(2020)009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Is the trans-Planckian censorship a swampland conjecture? (2020)
  • Author(s): Saito Ryo、Shirai Satoshi、Yamazaki Masahito
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 101 Issue: 4 Pages: 046022-046022
  • DOI: 10.1103/physrevd.101.046022
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] How heavy can neutralino dark matter be? (2019)
  • Author(s): Fukuda Hajime、Luo Feng、Shirai Satoshi
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2019 Issue: 4 Pages: 107-107
  • DOI: 10.1007/jhep04(2019)107
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Novel GUT with apparently complete SU(5) multiplets (2019)
  • Author(s): Ibe Masahiro、Shirai Satoshi、Suzuki Motoo、Yanagida Tsutomu T.
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 100 Issue: 5 Pages: 055024-055024
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.055024
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Cornering Higgsino at the LHC (2019)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: LLP workshop 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Wino theory and future prospects (2019)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: Dark matter searches in the 2020s - At the crossroads of the WIMP
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cornering Higgsino at the LHC (2019)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: Asian-European-Institutes Workshop for BSM
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Collider Studies of Viable SUSY Dark Matter Models (2019)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: PACIFIC 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 暗黒物質理論 (2019)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: ダークマターの懇談会2019
  • Invited
• [Presentation] Long Lived Particles in Viable SUSY Dark Matter Models (2019)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: New Physics with Exotic and Long-Lived Particles: A Joint ICISE-CBPF Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Indirect Probe of Electroweak-Interacting Particles with Lepton Signatures at Hadron Colliders (2019)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: SUSY2019
  • Int'l Joint Research / Invited