Cosmic neutrino background as a probe of new physics

• Project Area: Exploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrinos
• Project/Area Number: 21H00067
• 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): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: ダークセクター / 暗黒物質 / ニュートリノ / 宇宙背景ニュートリノ

Outline of Research at the Start

現在の宇宙観測は精緻を極めつつあり、今や精密科学となっている。暗黒物質や暗黒エネルギー、ニュートリノの宇宙での存在量が極めて正確に測定されており、将来にわたってその精度はますます向上していく。本研究の目的は宇宙背景ニュートリノの精密測定を通じた、新物理を探る枠組みの構築である。
特にLHCなどの地上実験で探ることが難しいタイプの軽い粒子模型について宇宙の精密測定を用いることで、圧倒的に強い検出能力を得ることを目標とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は宇宙背景ニュートリノを用いた標準模型を超える物理の探査を目標にしている。宇宙背景ニュートリノは宇宙マイクロ波背景放射と同様な存在であり、初期宇宙で熱平衡にあったニュートリノに起源を発している。これらのニュートリノの直接検出はまだ達成されていないが、ビッグバン元素合成や宇宙の構造形成を通じてその存在が間接的に示されている。そしてその存在量は素粒子標準模型からの予測とよくあっている。
その一方、標準模型には暗黒物質となる粒子の候補が含まれていないなど、現在の宇宙を完全には説明できないため、標準模型が究極の理論ではないことが示されている。そのため、ダークセクターと呼ばれる未知の粒子たちが存在すると考えられている。しかし、そのダークセクターは宇宙背景ニュートリノに影響を与え、標準模型からの予測を大きく変える可能性がある。このことを利用すれば、ダークセクターの関する発見や制限が可能になる。
一言にダークセクターと言っても非常に多くの模型が提案されており、それらのすべての模型を個別に議論することは難しい。そこではダークセクターと標準模型セクターを結びつけるメディエイターと呼ばれる粒子に注目した。多くの模型ではダークセクターの宇宙論的破綻を避けるためにメディエイターが導入されている。また標準模型との理論的整合性を考えるとメディエイターの種類は数個に限られる。
本研究では、メディエイターが初期宇宙でどのように生成されたかを詳細に分析し、それらの宇宙観測における影響を調べた。その結果、これまでの地上実験や天文学的探査からは探ることが不可能だったパラメータ領域を排除することに成功した。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] TUM(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] UC Berkeley(米国)
• [Int'l Joint Research] TDLI(中国)
• [Journal Article] Precise estimate of charged Higgsino/Wino decay rate (2024)
  • Author(s): Masahiro Ibe, Yuhei Nakayama, Satoshi Shirai
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2024 Issue: 3 Pages: 012-012
  • DOI: 10.1007/jhep03(2024)012
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Revisiting metastable cosmic string breaking (2024)
  • Author(s): Chitose Akifumi、Ibe Masahiro、Nakayama Yuhei、Shirai Satoshi、Watanabe Keiichi
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2024 Issue: 4 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1007/jhep04(2024)068
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Precise estimate of charged Wino decay rate (2023)
  • Author(s): Ibe Masahiro、Mishima Masataka、Nakayama Yuhei、Shirai Satoshi
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2023 Issue: 1 Pages: 1-51
  • DOI: 10.1007/jhep01(2023)017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced prospects for direct detection of inelastic dark matter from a non-galactic diffuse component (2023)
  • Author(s): Herrera Gonzalo、Ibarra Alejandro、Shirai Satoshi
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2023 Issue: 04 Pages: 026-026
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2023/04/026
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Detection of QCD axion dark matter by coherent scattering (2022)
  • Author(s): Fukuda Hajime、Shirai Satoshi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 105 Issue: 9 Pages: 095030-095030
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.095030
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] More on fake GUT (2022)
  • Author(s): Masahiro Ibe, Satoshi Shirai, Motoo Suzuki, Keiichi Watanabe, Tsutomu T. Yanagida
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 07 Issue: 7 Pages: 087-087
  • DOI: 10.1007/jhep07(2022)087
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Searching for the QCD axion with the proposed International Linear Collider beam facility (2022)
  • Author(s): Fukuda Hajime、Otono Hidetoshi、Shirai Satoshi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 106 Issue: 5 Pages: 055029-055029
  • DOI: 10.1103/physrevd.106.055029
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Probing relativistic axions from transient astrophysical sources (2022)
  • Author(s): Eby Joshua、Shirai Satoshi、Stadnik Yevgeny V.、Takhistov Volodymyr
  • Journal Title: Physics Letters B Volume: 825 Pages: 136858-136858
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136858
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cosmological constraints on dark scalar (2022)
  • Author(s): Masahiro Ibe, Shin Kobayashi, Yuhei Nakayama, and Satoshi Shirai
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics volume Volume: 03 Issue: 3 Pages: 198-198
  • DOI: 10.1007/jhep03(2022)198
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Non-perturbative Effects on Electroweakly Interacting Massive Particles at Hadron Collider (2021)
  • Author(s): Taisuke Katayose, Shigeki Matsumoto, Satoshi Shirai
  • Journal Title: Phys.Rev.D Volume: 103 Issue: 9 Pages: 095017-095017
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.095017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] On stability of fermionic superconducting current in cosmic string (2021)
  • Author(s): Ibe Masahiro、Kobayashi Shin、Nakayama Yuhei、Shirai Satoshi
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2021 Issue: 5 Pages: 1-24
  • DOI: 10.1007/jhep05(2021)217
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Muon g-2 in gauge mediation without SUSY CP problem (2021)
  • Author(s): Masahiro Ibe, Shin Kobayashi, Satoshi Shirai, Yuhei Nakayama
  • Journal Title: JHEP Volume: 7 Issue: 7 Pages: 98-98
  • DOI: 10.1007/jhep07(2021)098
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermal real scalar triplet dark matter (2021)
  • Author(s): Katayose Taisuke、Matsumoto Shigeki、Shirai Satoshi、Watanabe Yu
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2021 Issue: 9 Pages: 044-044
  • DOI: 10.1007/jhep09(2021)044
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Revisiting Metastable Cosmic String Breaking (2024)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: 20th Rencontres du Vietnam:
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Advancements and Prospects in WIMP Dark Matter Detection (2024)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: UGAP2024
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] WIMP Dark Matter at Collider (2024)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: Hokkaido Workshop on Particle Physics at Crossroads
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Proton Decay as a Probe of Fundamental Physics (2023)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: RCNP Workshop on "Physics on Baryon number and Lepton number using Nuclei"
  • Invited
• [Presentation] Status of WIMP Dark Matter (2023)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: Workshop for Tera-Scale Physics and Beyond
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Precise Estimate of Decay of Charged Fermion in Electroweak-Charged Dark Matter Model (2023)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: PASCOS 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gravitational Positivity Bounds on Dark Sector (2023)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: SUSY 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Higgsino / Wino search (2023)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: DMNet International Symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] QCD Axion Search with ILC Beam Facility (2022)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: Planck 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Status and Challenge of Dark Matter Search at Collider (2022)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: DM3 Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cosmic neutrino background as probe of new physics (2022)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: Exploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrino
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] On Detection of Axion Dark Matter (2022)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: Asian-European-Institutes Workshop for BSM
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ILC 物理の最新動向 - 将来レプトンコライダーで解くべき問題、解けない問題 - (2022)
  • Author(s): 白井智
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
  • Invited
• [Presentation] Precise WIMP Dark Matter Abundance and Standard Model Thermodynamics (2021)
  • Author(s): Satoshi Shirai
  • Organizer: RIKEN iTHEMS Dark Matter Working Group
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Funded Workshop] Asian-European-Institutes Workshop for BSM (2023)