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Exploring dark matter via neutrinos

Publicly Offered Research

Project AreaWhat is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter
Project/Area Number 23H04004
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (II)
Research InstitutionKanazawa University

Principal Investigator

藤間 崇  金沢大学, GS教育系, 准教授 (60786325)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords暗黒物質 / 暗黒物質の加速機構 / ニュートリノ / EDM / CPの破れ / 相対論的暗黒物質 / 暗黒セクター / 半対消滅 / 真空崩壊 / ステライルニュートリノ / 暗黒物質生成
Outline of Research at the Start

これまでの暗黒物質探索の結果から暗黒物質と通常物質の間の相互作用には強い制限が課せられているが、ニュートリノに関しては非常に検出しにくい粒子であることから実験的な制限は比較的緩いのが現状である。本研究の目的はニュートリノとの相互作用を通じて暗黒物質の性質を探ることである。具体的にはステライルニュートリノ暗黒物質残存量の新しい仮定に基づく計算、ステライルニュートリノ媒介による電気双極子モーメントの精密計算、速度の速い暗黒物質に関する研究を行う。さらに当該研究領域において行われるX線観測、CPの破れなどの精密測定結果を本研究へフィードバックすることで暗黒物質研究の推進を図る。

Outline of Annual Research Achievements

ステライルニュートリノ暗黒物質が、初期宇宙において通常の物質粒子とは熱平衡になく、かつ暗黒セクターでは熱平衡にある状況において、その熱的生成を調べた。結合定数に対するユニタリティ、初期宇宙元素合成、ガンマ線等による制限を考慮することで、暗黒物質の残存量を再現可能な質量は100keV-10PeVの範囲に制限され、かつ暗黒物質の残存量を決定される時点での暗黒セクターの温度は、宇宙の温度に対して1/10000-1倍の範囲でなければならないことが分かった。
太陽中心において、ニュートリノを伴う暗黒物質の半対消滅過程に着目し、生成されたニュートリノと相対論的暗黒物質粒子が次世代大型ニュートリノ実験DUNEにおいて同時検出される可能性を調べた。詳細なシミュレーションを行った結果、DUNE実験においてこれらのシグナルが同時に検出されるためには、ターゲット原子核との散乱断面積に対して、強い移行運動量の依存性が必要であることが分かった。また、別の大型ニュートリノ実験ハイパーカミオカンデにおいては、半対消滅により生成されたニュートリノは検出可能であるが、同時に生じる相対論的暗黒物質については、その速度が十分でないことから検出不可能であることが分かった。
さらに相対論的暗黒物質を生成する別な機構として、負のエネルギーを持つファントム粒子を仮定し、真空崩壊から生じる相対論的暗黒物質を直接検出実験を用いて検出する可能性について定量的に調べた。特に、直接検出実験DAMICにおいて、低い反跳エネルギー領域に僅かな超過が報告されており、真空崩壊から生じる相対論的暗黒物質を用いて検出率を適切にフィット可能であることが分かった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

半対消滅等の非標準的な消滅過程、または真空崩壊から生成される相対論的暗黒物質の検証可能性を研究した。生成された暗黒物質は直接検出実験や、ハイパーカミオカンデやDUNE実験などの大型ニュートリノ検出器において検出が期待される。研究成果は4つの学術論文として出版されている。また、本研究成果を国内や海外での研究会や国際会議において複数回の発表を行った。一方、相対論的暗黒物質の性質については、銀河中心において大量に生成される可能性など、まだ議論されるべき点が多く、今後も継続して詳細な研究が必要である。
加えて、有力な暗黒物質候補となる擬-ディラック型ステライルニュートリノを加えた拡張模型において、荷電レプトンの電気双極子モーメントの計算を現在計算中であり、その成果をまとめて論文を執筆中である。さらに新たな試みとして、非最小な超対称性から導かれる暗黒物質の崩壊により生成されるガンマ線やニュートリノシグナルについて研究も同時に進行中である。

Strategy for Future Research Activity

暗黒物質の半対消滅や、暗黒物質粒子3つから2つへの消滅過程などの非標準的な消滅過程により生成される相対論的暗黒物質に関する研究を進める。特に、銀河中心に存在する超巨大ブラックホール付近においては、暗黒物質密度が非常に高くなる可能性が指摘されており、そこで生成される相対論的暗黒物質のフラックス量を計算し、地球において検出がどのくらい期待できるかを評価する。
有力な暗黒物質候補となるステイラルニュートリノと関連して、レプトンセクターにおけるCPの破れについて研究を行う。具体的にはレプトン数がわずかに破れたニュートリノ質量模型において、荷電レプトンの電気双極子モーメントを計算し、現在の実験と比較して予言される値はどの程度であるかを見積る。またレプトン数が大きく破れた模型と比較する。
加えて、南部-ゴールドストーン粒子の超対称パートナーであるゴールドスティーノの崩壊モードとエネルギースペクトルの理論計算を行う。この崩壊により、高エネルギーのガンマ線やニュートリノが生成されると期待され、これらが宇宙線観測に対する示唆を調べる。相互作用の形を明らかにする。

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (13 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 4 results)

  • [Int'l Joint Research] ヘルシンキ大学(フィンランド)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] マギル大学(カナダ)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Journal Article] Boosted dark matter from a phantom fluid2024

    • Author(s)
      James M. Cline, Matteo Puel , Takashi Toma
    • Journal Title

      Physics Letters B

      Volume: 848 Pages: 1-4

    • DOI

      10.1016/j.physletb.2023.138377

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Simultaneous detection of boosted dark matter and neutrinos from the semi-annihilation at DUNE2024

    • Author(s)
      Aoki Mayumi、Toma Takashi
    • Journal Title

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      Volume: 2024 Issue: 02 Pages: 033-033

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2024/02/033

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Sterile neutrino dark matter: relativistic freeze-out2023

    • Author(s)
      Lebedev Oleg、Toma Takashi
    • Journal Title

      Journal of High Energy Physics

      Volume: 2023 Issue: 5 Pages: 1-16

    • DOI

      10.1007/jhep05(2023)108

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Phantom fluid cosmology: Impact of a phantom hidden sector on cosmological observables2023

    • Author(s)
      James M. Cline , Matteo Puel , Takashi Toma , Qiu Shi Wang
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 108 Issue: 9 Pages: 1-36

    • DOI

      10.1103/physrevd.108.095033

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Boosted dark matter signals2024

    • Author(s)
      Takashi Toma
    • Organizer
      The 37th New Higgs Working Group Regular Meeting
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Signals of boosted dark matter and neutrinos from the semi-annihilation2024

    • Author(s)
      Takashi Toma
    • Organizer
      What is dark matter?
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Signals of boosted dark matter and neutrinos2024

    • Author(s)
      Takashi Toma
    • Organizer
      Rencontres de Moriond 2024
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 暗黒セクターからのステライルニュートリノ生成2023

    • Author(s)
      藤間崇
    • Organizer
      北陸信越地区素粒子論グループ合宿研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Sterile neutrino dark matter from dark thermal bath2023

    • Author(s)
      Takashi Toma
    • Organizer
      Scalars2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 暗黒物質の半対消滅から生じるシグナル2023

    • Author(s)
      藤間崇
    • Organizer
      阿蘇研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Simultaneous detection of boosted dark matter and neutrinos from the semi-annihilation at DUNE2023

    • Author(s)
      Takashi Toma
    • Organizer
      KASHIWA DARK MATTER SYMPOSIUM 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2023-04-13   Modified: 2024-12-25  

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