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2017 Fiscal Year Annual Research Report

全天ガンマ線データの統計的解析による暗黒物質粒子の探査

Research Project

Project/Area Number 17H04836
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

安藤 真一郎  東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 客員科学研究員 (80791970)

Project Period (FY) 2017-04-01 – 2021-03-31
Keywords暗黒物質対消滅 / 高エネルギー天体 / 全天ガンマ線解析
Outline of Annual Research Achievements

暗黒物質サブハローの解析的モデルを構築し、成果を"Modeling evolution of dark matter substructure and annihilation boost", Nagisa Hiroshima, Shin'ichiro Ando, Tomoaki Ishiyama, Physical Review D誌、97巻、123002 (2018)として出版。そしてそのモデルを用いてガイア衛星のデータ解析結果の解釈を行なった。その成果は"A Gaia DR2 search for dwarf galaxies towards Fermi-LAT sources: implications for annihilating dark matter", Ioana Ciuca et al., Monthy Notices of the Royal Astronomical Society誌、480巻、2284ページ、(2018)として出版。
本研究計画の解析の骨組みとなるパワースペクトル解析を、IceCube実験によって検出された高エネルギーニュートリノのデータへの適用を行ない、その成果をJournal of Cosmology and Astroparticle Physics誌、1902巻、002 (2019)として出版した。
暗黒物質サブハローによる対消滅ブーストの計算について、過去の研究を総括したレビュー記事を、エディターの依頼をうけ、Galaxies誌へと投稿。現在査読中である。こちらのレビュー論文は"Halo substructure boosts to the signatures of dark matter annihilation", Shin'ichiro Ando et al., arXiv:1903.11427として公開済みである。
その他、暗黒エネルギーとニュートリノの相互作用を論じた論文をPhysical Review D誌97巻、063006 (2018)、1点確率分布関数をニュートリノデータに適応したものを、Physical Review D誌97巻、103017 (2018)、ニュートリノ崩壊とそのCMBへの影響を議論した論文をPhysical Review D誌98巻、023001 (2018)として出版している。これらの成果を元に国際研究会TeV Particle Astrophysics 2018、COSMO 2018、Dark Ghosts 2018、日本物理学会等で多数講演。また領域シンポジウムにおいても進捗状況の報告を行なっている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

銀河分布や重力レンズマップとガンマ線とのクロス相関を議論する上で、暗黒物質サブハローの存在を無視することはできない。本計画により開始した解析的なサブハローのモデルがひとまず暫定的ではあるが完成したので、最初の論文をPhysical Review D誌に出版。さらにGalaxies誌の特別号のためのレビュー記事を依頼を受けて投稿した。
また同モデルを用いることで、最新のガイア衛星データの解析結果に独自の解釈を与えることを試みた。具体的にはフェルミの未同定天体、特に暗黒物質サブハローの候補と先行研究で考えられている領域におけるガイアデータの解析を行い、サブハローの兆候を探した。その結果いずれにおいてもサブハローの証拠は見つからず、自身のサブハローモデルを用いることにより、全てのフェルミ未同定天体が暗黒物質サブハローであることを棄却することに成功した。
様々な銀河カタログや重力レンズマップとのクロス相関の解析を進めるため、まずはフェルミ衛星の検出ガンマ線データ解析を行った。とりわけ角パワースペクトルを計算し、その結果が先行研究と一致することを確認した。さらには1点確率分布関数をより精度よく求めるため、スキューネスと呼ばれる分布関数の3次のモーメントを計算することに着手した。それと同時にクロス相関を取るための銀河カタログの選定を行い、データの抽出を行なっているところである。他方で重力レンズマップに関してはDark Energy Survey Collaborationとの共同研究を取る形で進めており、成果を論文にまとめているところである。さらには本研究計画で得られた知見を生かし、高エネルギーニュートリノのデータ解析に適用した。これはこの分野にとっては新たな試みであり、分野を超えたあらたな視点の提供に一役買ったいうことができる。

Strategy for Future Research Activity

角パワースペクトルによってガンマ線源の空間情報、銀河や重力レンズカタログとのクロス相関によって距離情報が得られる。これらをエネルギーのビンに区切って同時に用いることで、エネルギー、位置、距離の情報をすべて活用した解析が可能となる。この課題に取り組み、暗黒物質探査にとって最高感度の達成をめざす。
エネルギースペクトルと角パワースペクトルは、フラックス確率分布関数の平均と分散にそれぞれ対応する物理量である。分布関数が正規分布であると知られている場合は、このふたつの量を研究することですべての情報が得られる。しかしながらほぼ全てのガンマ線源の場合、フラックス確率分布は冪則にしたがうテイ ルを持つことが、本研究代表者らによって理論的に示されている。Nicolao Fornengo教授(トリノ大学)のグループと共同で確率分布関数の解析に当たる。 Fornengo教授らのデータ解析の経験(Zechlin et al. 2016, Astrophys. J. 826, L31)と研究代表者のグループで構築した理論的計算の経験を組み合わせることで、確率分布関数のデータを暗黒物質モデルに照らし合わせて解釈していくことを計画している。
これらのデータによって得られた結果を理論的に解釈するにあたって、暗黒物質サブストラクチャーによる対消滅ブーストを適正に計算しておく必要がある。この対消滅ブーストの計算を、構築済みの解析的モデルに対してさらなる精密化を施していくことで、進めていくことを計画している。さらに銀河ハローの形成史に対する依存性を詳細に研究していく。

  • Research Products

    (22 results)

All 2019 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Peer Reviewed: 7 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 5 results)

  • [Int'l Joint Research] アムステルダム大学(オランダ)

    • Country Name
      NETHERLANDS
    • Counterpart Institution
      アムステルダム大学
  • [Int'l Joint Research] MSSL UCL(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      MSSL UCL
  • [Journal Article] Angular power spectrum analysis on current and future high-energy neutrino data2019

    • Author(s)
      Dekker Ariane、Ando Shin'ichiro
    • Journal Title

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      Volume: 2019 Pages: 002~002

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2019/02/002

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Precision constraints on radiative neutrino decay with CMB spectral distortion2018

    • Author(s)
      Aalberts Jelle L.、Ando Shin’ichiro、Borg Wouter M.、Broeils Edwin、Broeils Jennypher、Broeils Stephen、Kavanagh Bradley J.、Leguijt Gijs、Reemst Marnix、van Arneman Dylan R.、Vu Hoang
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 98 Pages: 023001

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.98.023001

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Modeling evolution of dark matter substructure and annihilation boost2018

    • Author(s)
      Hiroshima Nagisa、Ando Shin’ichiro、Ishiyama Tomoaki
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 97 Pages: 123002

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.97.123002

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A Gaia DR2 search for dwarf galaxies towards Fermi-LAT sources: implications for annihilating dark matter2018

    • Author(s)
      Ciuca Ioana、Kawata Daisuke、Ando Shin’ichiro、Calore Francesca、Read Justin I、Mateu Cecilia
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 480 Pages: 2284~2291

    • DOI

      10.1093/mnras/sty1994

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Constraints on MeV dark matter using neutrino detectors and their implication for the 21-cm results2018

    • Author(s)
      Klop Niki、Ando Shin’ichiro
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 98 Pages: 103004

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.98.103004

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] One-point fluctuation analysis of IceCube neutrino events outlines a significant unassociated isotropic component and constrains the Galactic contribution2018

    • Author(s)
      Feyereisen Michael R.、Gaggero Daniele、Ando Shin’ichiro
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 97 Pages: 103017

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.97.103017

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effects of a neutrino-dark energy coupling on oscillations of high-energy neutrinos2018

    • Author(s)
      Klop Niki、Ando Shin’ichiro
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 97 Pages: 063006

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.97.063006

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modeling Evolution of Dark Matter Substructure and Annihilation Boost2019

    • Author(s)
      廣島渚
    • Organizer
      新学術領域「なぜ宇宙は加速するのか?- 徹底的究明と将来への挑戦-」
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Analytic modeling of subhalo evolution and annihilation boost2018

    • Author(s)
      安藤真一郎
    • Organizer
      Halo Substructure and Dark Matter Searches
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Modeling evolution of dark matter substructure and annihilation boost2018

    • Author(s)
      安藤真一郎
    • Organizer
      TeV Particle Astrophysics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modeling dark matter substructure and annihilation boost for indirect searches2018

    • Author(s)
      安藤真一郎
    • Organizer
      Dark Ghosts
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Analytic modeling of subhalo evolution and annihilation boost2018

    • Author(s)
      安藤真一郎
    • Organizer
      宇宙・素粒子研究の融合によるマルチメッセンジャー天文学の推進
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Modeling evolution of dark matter substructure and annihilation boost2018

    • Author(s)
      廣島渚
    • Organizer
      COSMO 2018
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Precision constraints on radiative neutrino decay with CMB spectral distortion2018

    • Author(s)
      Reemst Marnix、van Arneman Dylan R
    • Organizer
      TeV Particle Astrophysics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Searching for non-Gravitational Signatures of Dark Matter in the Galactic Center2018

    • Author(s)
      Oscar Macias
    • Organizer
      宇宙・素粒子研究の融合によるマルチメッセンジャー天文学の推進
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Constraints on MeV dark matter using neutrino detectors and their implication for the 21-cm results2018

    • Author(s)
      Niki Klop
    • Organizer
      TeV Particle Astrophysics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modeling Evolution of Dark Matter Substructure and Annihilation Boost2018

    • Author(s)
      廣島渚
    • Organizer
      日本物理学会 2018年秋季大会
  • [Presentation] How bright can the brightest neutrino source be?2017

    • Author(s)
      安藤真一郎
    • Organizer
      TeV Particle Astrophysics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Power of angular power: Implications for dark matter and cosmic neutrinos2017

    • Author(s)
      安藤真一郎
    • Organizer
      Dark Matter, Neutrinos, and Their Connections
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 全天ガンマ線データをもちいた暗黒物質対消滅の間接探査2017

    • Author(s)
      安藤真一郎
    • Organizer
      宇宙観測と地上実験から探るダークマター研究の現状と展望

URL: 

Published: 2019-12-27  

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