2016 Fiscal Year Annual Research Report
Dark matter search at future lepton colliders
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16H02176
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
松本 重貴 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 准教授 (00451625)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤井 恵介 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 教授 (30181308)
柳田 勉 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任教授 (10125677)
山下 了 東京大学, 素粒子物理国際研究センター, 特任教授 (60272465)
石川 明正 東北大学, 理学研究科, 助教 (40452833)
末原 大幹 九州大学, 理学研究院, 助教 (20508387)
竹内 道久 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任研究員 (60749464)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 素粒子論 / WIMP暗黒物質 / 国際線形加速器実験 / WIMPの直接・間接探査 / 大型ハドロン加速器実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究計画初年度の研究成果としてはWIMP暗黒物質探査の定量的な記述を行う枠組みの開発と、個々の探査プロセスの現実的なシミュレーションの環境整備が挙げられる。例えば、松本はTsaiと共にWIMPが標準模型シングレットとWell-temperedの場合に、新物理模型の詳細に依らず解析を行う枠組みを開発した。これにより将来電子・陽電子加速器実験や様々な実験におけるWIMP探査の現状と見通しについて、相補性を含め議論が可能となった。一方、藤井は海外の研究者とも連携し、ILC における暗黒物質の荷電および中性パートナーの対生成のフルシミュレーション研究のための枠組みを整備し、暗黒物質との質量差が小さい場合について解析を進めた。また、単光子を伴う暗黒物質対生成のシミュレーションのための事象生成プログラムの開発整備を進めた。石川は ILC 実験でのフェルミオン対生成過程を用いた暗黒物質探索の検討を始めた。またBelle 実験において電子への結合が非常に弱く、ミューオンに結合する暗黒光子の探索を始めた。山下は電子・陽電子コライダーILCでのヒッグス粒子生成事象及びダークマター生成事象の解析手法の改善を中心に研究し、特にヒッグスがダークマターに崩壊した場合の新しいデータ解析手法を学生（加藤）らと作ることに成功した。末原は大学院生と協力して、ILCにおけるレプトン・クォーク対の生成断面積の測定精度の評価に関する研究をはじめた。一方他の理論的な研究成果としては以下が挙げられる。柳田は、モノポールの凝縮が起こると電荷をもつ粒子の閉じ込めが起きることを利用して、複合粒子暗黒物質の模型を構築した。一方、竹内は松本、Hanと共に、LHCにおける750GeV２光子イベントの超過を説明する模型の検討を行い、束縛状態を作る新粒子を考え、暗黒物質と縮退した共同対消滅領域について研究した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
今年度は研究計画の初年度にも関わらず、当初計画以上の進展があった。まずは理論的な側面の研究では、将来電子・陽電子加速器実験をはじめとする様々な実験におけるWIMP探査の現状と見通しについて、相補性や競合性等の議論を可能とする理論的な枠組みを、幾つかの量子数を持つWIMPについて完成したことが挙げられる。この枠踏みを用いて、ハドロン加速器実験や地下実験（暗黒物質の直接探査）、宇宙観測（暗黒物質の間接検出）の現状と将来の見通しを定量的に得ることができた。また将来電子・陽電子加速器実験において、具体的にどのような過程に注目するべきかが明らかになりつつあり、それらに基づいて現実的なシミュレーションを行う為の環境整備も整いつつある。具体的には単光子過程を用いたWIMP対生成過程（藤井）、ヒッグスのインビジブル崩壊（WIMP対への崩壊）を用いた探査（山下）、フェルミオン対生成の精密測定によるWIMPからの輻射補正の探査（末原、石川）等が挙げられる。また軽いWIMP領域では、将来のBelle II実験での探査と強い相補性が期待されるが、幸運にも本研究グループにはその専門家（石川）を含まれるため、こちらについても研究が行われている。また同時にWIMP以外の有力な暗黒物質候補について現状を踏まえた提案（柳田）や、将来のLHCにおけるWIMP探査の定量的な評価（竹内）も積極的に行われた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究成果を踏まえ、それを進展させる。具体的に、松本は軽いWIMPについても様々な実験における現状と見通しを、競合性及び相補性を含めた議論が可能となるフレームワークを構築する。またWIMPの間接測定の基礎となる矮小楕円体銀河内の暗黒物質分布評価の研究も行い、将来電子・陽電子加速器実験との相補性や競合性について調べる。藤井は、海外の研究者とも連携し、今年度整備したフルシミュレーションの枠組みを用いて、暗黒物質との質量差が小さい場合について、荷電および中性パートナーの対生成の解析をまとめる。また、単光子を伴う暗黒物質対生成のシミュレーションを進め、ILC での暗黒物質探査の感度を調べる。末原は複数の大学院生と協力し、ILCにおけるレプトン・クォーク対生成の測定精度評価を継続する。性能向上の鍵となる光子、レプトン、クォークフレーバー識別アルゴリズムの改善も合わせて行う。山下は250GeVでの電子・陽電子衝突から生成されるヒッグス粒子、フェルミオン対の精密測定と新粒子探索の可能性を広げるための測定器データの解析手法を系統誤差の低減の面から進化させることを目指す。特に偏極ビームの偏極率とルミノシティーの測定誤差を中心に分析を行う。石川はILC実験におけるフェルミオン対生成過程を用いた暗黒物質探索の検討をさらに重ねる事と、Belle 実験での暗黒光子の研究を継続する。竹内は昨年度の研究成果を基に、LHCでの最新結果を踏まえ、単ジェット探索と共同対消滅領域の関係の現状を整理する。その上でILCにおける暗黒物質探索の可能性との関係を議論する。柳田はアクシオンが暗黒物質である可能性を理論的観点から追求していく。アクシオンは強いい相互作用におけるCPの破れの問題を解くため極めて重要な暗黒物質の候補であるが、その理論的根拠は不明のままである。この根拠を理論的に明白にしていく予定である。
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