2021 Fiscal Year Annual Research Report
Theoretical study on the search for the weak-charged thermal dark matter
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20H01895
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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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, 教授 (00451625)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
林 航平 一関工業高等専門学校, その他部局等, 助教 (20771207)
Binder Tobias 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任研究員 (30847009)
久野 純治 名古屋大学, 素粒子宇宙起源研究所, 教授 (60300670)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 暗黒物質 / 直接探査 / 間接探査 / 加速器探査 / 暗黒物質分布評価 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は前年度の研究を進展させつつ、さらに弱電荷を持つ暗黒物質の研究を新しい方向にも展開した。前者の例として、林は、すばる望遠鏡多天体分光器（PFS）での銀河系矮小銀河サーベイに向けた準備として、PFSによる矮小銀河の暗黒物質密度分布及びJ因子の見積もりを、模擬観測データを用いて始めた。当該年度は、恒星の等級や色、金属量を考慮するなど、より現実に近い模擬データの作成を行った。またトビアスは、暗黒物質残存量の計算に与える暗黒物質の束縛状態の影響についてさらに研究を進め、束縛状態間や束縛状態から非束縛状態への遷移を全て含む単一のボルツマン方程式を導出することに成功し、本分野の発展に大きな貢献をした。後者の例としては、弱電荷を持つ熱的暗黒物質として、これまでフェルミオン暗黒物質が主に調べられてきたが、今回は、弱電荷を持つスカラー暗黒物質について、定量的かつ包括的に研究を行った。その結果、フェルミオン暗黒物質の場合との類似がある一方、素の探査において暗黒物質の直接探査がより重要な役割を果たすことを明らかにした。また久野は、昨年度に構築した模型を用いて、弱電荷を持つスピン１の暗黒物質の対消滅過程におけるゾンマーフェルト効果を評価し、暗黒物質対消滅起源の銀河中心からの線ガンマ線観測からの制限を導くとともに、将来観測の可能性を明らかにした。白井は、本年度に報告されたミュー粒子の異常磁気モーメントの観測結果に基づき、これを説明するための粒子模型の構築を行い、LHCでの制限を包括的に調べた。結果として特殊な模型でないと、LHCとミュー粒子の観測結果が矛盾してしまうことを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は暗黒物質の間接検出、および残存量計算での進展が著しい一方、これまで定量的・包括的に議論されてこなかったボソン型の弱電化を持つ暗黒物質の研究も進んだ。前者の研究は来年度以降さらに発展することが見込まれ、後者は、その検出において新たな方向性が出ていたため、今後は実験・観測を行っている研究者との交流を活発にし、研究成果を周知することにより、本研究の重要性を広める第一歩となることが期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、昨年度の研究を引き続き行いさらに発展させることに加え、さらなる新しい研究も開始する。前者研究の一例としては、暗黒物質模型の発見・排除判定の精密化や将来の暗黒物質発見後の物理的性質の測定を見据えた研究を行い、そのために加速器実験での暗黒物質シグナルの理論予測を向上させるための高次補正を取り入れた理論計算・シミュレーションを行う予定である。また、暗黒物質分布関連の研究計画として、暗黒物質ハローの非球対称性及びコンタミネーションの影響を同時に考慮した銀河系矮小銀河の新たな動力学解析の構築も進める。すばる望遠鏡超広視野多天体分光器(PFS)を想定した模擬データを構築し、これを用いた銀河系矮小銀河の暗黒物質分布推定の研究も進めていく。後者の研究の一例として、これまで行ってきた弱電荷をもつフェルミオン暗黒物質の研究に加え、大きな弱電荷を持つスカラー暗黒物質についての研究を進める。これら暗黒物質の理論的な動機、直接探査、加速器探査、間接探査におけるシグナルの評価も行う。更に、弱電荷を持つスピン１の暗黒物質についての研究を進める。具体的には、Sommerfeld効果を取り入れて暗黒物質の熱的残存量の評価を行う。同時に、これまで弱電荷を持つスピン１の暗黒物質を予言するくりこみ可能な模型をもとに解析を行なった経験を踏まえ、弱電荷を持つスピン１の暗黒物質を予言するより現実的な余剰次元模型の構築も行う計画である。
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