CALETによる暗黒物質探索と天体ガンマ線観測

• 研究課題/領域番号: 16K05382
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 立命館大学
• 研究代表者: 森 正樹 立命館大学, 理工学部, 教授 (80210136)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2018年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2017年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2016年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 天体ガンマ線 / 暗黒物質 / 粒子加速

研究成果の概要

約5年間のCALET検出器によるデータ（>10 GeV）を解析し、暗黒物質の対消滅や崩壊から放出されることが期待されている単色エネルギーのラインガンマ線の探索を行った。暗黒物質ハローの密度分布のモデルを4通り仮定し、それぞれに対応する銀河中心周りの解析領域を設定し、エネルギースペクトルを求め、このスペクトルにラインガンマ線信号が含まれていた場合のフラックスの上限値を算出した。この上限値と、解析領域から期待されるガンマ線量を比較し、暗黒物質のパラメータ（対消滅の場合は消滅断面積×相対速度、崩壊の場合は寿命）の制限を求めた。この結果は、国際会議で報告し、また論文として発表する予定である。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ビッグバンで始まった宇宙で、銀河が形成される際の主役は未知の暗黒物質であるとされ、宇宙の質量の大部分を占めると考えられているが、その正体はわかっていない。暗黒物質が未知の重い素粒子であった場合、対消滅や崩壊を起こして、特徴的な単色のガンマ線（ラインガンマ線）を放出することが予想されている。国際宇宙ステーションに設置された宇宙線検出器CALETの約5年分の観測データを用いて、ラインガンマ線の信号を探索したが、そのような徴候は観測されず、暗黒物質の性質についての制限を与える結果を得た。これは、暗黒物質の正体を解明する上での手掛かりを与える重要な結果といえる。

研究成果

• [国際共同研究] Lousiana State University/NASA/Goddard Space Flight Center/Washington University in St. Louis(米国)
• [国際共同研究] University of Siena and INFN/University of Florence, IFAC and INFN/University of Pisa and INFN(イタリア)
• [国際共同研究] 早稲田大学/宇宙航空研究開発機構/青山学院大学(日本)
• [国際共同研究] Lousiana State University/NASA/Goddard Space Flight Center/Washington University in St. Louis(米国)
• [国際共同研究] University of Siena and INFN/University of Florence, IFAC and INFN/University of Pisa and INFN(イタリア)
• [国際共同研究] 早稲田大学/宇宙航空研究開発機構/青山学院大学(日本)
• [国際共同研究] Lousiana State University/NASA/Goddard Space Flight Center/Washington University in St. Louis(米国)
• [国際共同研究] University of Siena and INFN/University of Florence, IFAC and INFN/University of Pisa and INFN(イタリア)
• [国際共同研究] 早稲田大学/宇宙航空研究開発機構/青山学院大学(日本)
• [国際共同研究] Lousiana State University/NASA/Goddard Space Flight Center/Washington University in St. Louis(米国)
• [国際共同研究] University of Siena and INFN/University of Florence, IFAC and INFN/University of Pisa and INFN(イタリア)
• [国際共同研究] 早稲田大学/宇宙航空研究開発機構/青山学院大学(日本)
• [国際共同研究] Louisiana State University/NASA/Goddard Space Flight Center/Washington University-St. Louis(米国)
• [国際共同研究] University of Siena and INFN/University of Florence, IFAC and INFN/University of Pisa and INFN(イタリア)
• [国際共同研究] 早稲田大学/宇宙航空研究開発機構/青山学院大学(日本)
• [雑誌論文] Dark matter signals on a laser interferometer (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuchida Satoshi、Kanda Nobuyuki、Itoh Yousuke、Mori Masaki
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 101 号: 2 ページ: 023005
  • DOI: 10.1103/physrevd.101.023005
  • NAID: 120006781999
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2020415
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Direct Measurement of the Cosmic-Ray Carbon and Oxygen Spectra from 10??GeV/n to 2.2??TeV/n with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station (2020)
  • 著者名/発表者名: Adriani O.、Akaike Y.、Asano K.、Asaoka Y.、Bagliesi M.G.、Berti E.、Bigongiari G.、Binns W.R.、Bongi M.、Brogi P.、Bruno A.、Buckley J.H.、Cannady N.、Castellini G.、Checchia C.、Cherry M.L.、Collazuol G.、Ebisawa K.、Fuke H.、Gonzi S.、Guzik T.G.、Hams T.、Hibino K.、Ichimura M. 他
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 125 号: 25 ページ: 251102-251102
  • DOI: 10.1103/physrevlett.125.251102
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] On-orbit Operations and Offline Data Processing of CALET onboard the ISS (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Asaoka, M. Mori et al.
  • 雑誌名: Astroparticle Physics 巻: 100 ページ: 29-37
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2018.02.010
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Extended Measurement of the Cosmic-Ray Electron and Positron Spectrum from 11 GeV to 4.8 TeV with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station (2018)
  • 著者名/発表者名: Adriani O.、Mori M.、他89名（CALET collaboration）
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 120 号: 26 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.261102
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for GeV Gamma-Ray Counterparts of Gravitational Wave Events by CALET (2018)
  • 著者名/発表者名: Adriani O.、Mori M.、他89名（CALET collaboration）
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 863 号: 2 ページ: 160-160
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aad18f
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Characteristics and Performance of the CALorimetric Electron Telescope (CALET) Calorimeter for Gamma-Ray Observations (2018)
  • 著者名/発表者名: Cannady N.、Mori M.、他91名（CALET collaboration）
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Supplement Series 巻: 238 号: 1 ページ: 5-5
  • DOI: 10.3847/1538-4365/aad6a3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Detection of the thermal component in GRB 160107A (2018)
  • 著者名/発表者名: Yuta Kawakubo, Masaki Mori et al.
  • 雑誌名: Publications of the Astronomical Society of Japan 巻: 70 号: 1 ページ: 6-6
  • DOI: 10.1093/pasj/psx152
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The gamma-ray spectral feature from Kaluza-Klein dark matter annihilation and its observability (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Tsuchida and Masaki Mori
  • 雑誌名: International Journal of Modern Physics D 巻: 27 号: 01 ページ: 1750187-1750187
  • DOI: 10.1142/s0218271817501875
  • 査読あり
• [雑誌論文] Energy Spectrum of Cosmic-ray Electron and Positron from 10 GeV to 3 TeV Observed with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space Station (2017)
  • 著者名/発表者名: Adriani O., Akaike Y., Asano K., et al.
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW LETTERS 巻: 119 号: 18 ページ: 181101-181101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.119.181101
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The electron plus positron spectrum from annihilation of Kaluza-Klein dark matter in the Galaxy (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Tsuchida and Masaki Mori
  • 雑誌名: International Journal of Modern Physics D 巻: 該当なし 号: 09 ページ: 1750095-1750095
  • DOI: 10.1142/s021827181750095x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Energy calibration of CALET onboard the International Space Station (2017)
  • 著者名/発表者名: Y.Asaoka, Y.Akaike, S.Torii, M.Mori, H.M.Motz, S.Ozawa, Y.Shimizu, T.Tamura, T.Terasawa et al.
  • 雑誌名: Astroparticle Physics 巻: 91 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1016/j.astropartphys.2017.03.002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Relativistic electron precipitation at International Space Station: Space weather monitoring by Calorimetric Electron Telescope (2016)
  • 著者名/発表者名: R.Kataoka, Y.Asaoka, S.Torii, T.Terasawa, S.Ozawa, T.Tamura, Y.Shimizu, Y.Akaike, M.Mori,
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 43 号: 9 ページ: 4119-4125
  • DOI: 10.1002/2016gl068930
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] CALET Upper Limits on X-Ray and Gamma-Ray Counterparts of GW151226 (2016)
  • 著者名/発表者名: O. Adriani, Y. Akaike, K. Asano, Y. Asaoka, M. G. Bagliesi, G. Bigongiari, W. R. Binns, S. Bonechi, M. Bongi, P. Brogi, J. H. Buckley, N. Cannady, G. Castellini, C. Checchia, M. L. Cherry, G. Collazuol, V. Di Felice, K. Ebisawa, T. Sakamoto, H. Tomida, et al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 829 号: 1 ページ: 20-24
  • DOI: 10.3847/2041-8205/829/1/l20
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] CALET による高エネルギーガンマ線観測の最新結果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森 正樹
  • 学会等名: 第21 回宇宙科学シンポジウム
• [学会発表] CALET による高エネルギーガンマ線観測の最新結果 (2021)
  • 著者名/発表者名: 森 正樹
  • 学会等名: 日本物理学会 第76 回年次大会
• [学会発表] CALET による高エネルギーガンマ線観測の最新成果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 森 正樹
  • 学会等名: 日本物理学会 2020 年秋季大会
• [学会発表] High-Energy Gamma-ray Observations Using the CALorimetric Electron Telescope (CALET) on the ISS (2019)
  • 著者名/発表者名: Masaki Mori, Yoichi Asaoka, for the CALETcollaboration
  • 学会等名: 36th International Cosmic Ray Conference, Madison, Wisconsin, USA
  • 国際学会
• [学会発表] CALETにおける高エネルギーガンマ線の観測と解析II (2019)
  • 著者名/発表者名: 森正樹, 銭田大亮, 浅岡陽一, 鳥居祥二, 川久保雄太, N. Cannady, M. Cherry, 他CALETチーム
  • 学会等名: 日本物理学会 2019年秋季大会
• [学会発表] CALETによる高エネルギーガンマ線の観測と解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 森正樹、浅岡陽一、鳥居祥二、小澤俊介、藤田崚、吉川康太、N. Cannady、M.L. Cherry、他CALETチーム
  • 学会等名: 日本物理学会第74回年次大会, March 15, 2019
• [学会発表] Search for gamma-ray counterparts of gravitational wave events by CALET (2018)
  • 著者名/発表者名: Masaki Mori, Yoichi Asaoka, for the CALET collaboration
  • 学会等名: 42nd COSPAR Assembly, July 14-22, 2018, Pasadena, 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 国際宇宙ステーション搭載検出器CALETによる宇宙線・ガンマ線の観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 森正樹、CALETチーム
  • 学会等名: 東北大学大学院理学研究科セミナー, September 11, 2018
  • 招待講演
• [学会発表] CALETによるトランジェントガンマ線源の観測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 森正樹, 浅岡陽一, 鳥居祥二, 佐藤郁也, 田中瑞樹, N. Cannady, M.L. Cherry, 他CALETチーム
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] Search for gamma-ray emission from electromagnetic counterparts of gravitational wave sources with the CALET calorimeter (2017)
  • 著者名/発表者名: Masaki Mori and Yoichi Asaoka for the CALET collaboration
  • 学会等名: 35th International Cosmic Ray Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Concentration of Kaluza-Klein dark matte in the Galactic center: constraints from gamma-ray signals (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Tsuchida and Masaki Mori
  • 学会等名: 35th International Cosmic Ray Conference
  • 国際学会
• [学会発表] CALETによる銀河拡散ガンマ線及びガンマ線点源の観測 (2017)
  • 著者名/発表者名: 森正樹, 浅岡陽一, 佐藤郁也, 鳥居祥二, N. Cannady, M.L. Cherry, 他CALETチーム
  • 学会等名: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [学会発表] Current status of the CALET mission (2016)
  • 著者名/発表者名: Masaki Mori for the CALET collaboration
  • 学会等名: 6th International Symposium on High-Energy Gamma-Ray Astronomy (Gamma2016)
  • 発表場所: Heidelberg, Germany
  • 年月日: 2016-07-11
  • 国際学会
• [学会発表] Observability of gamma-ray spectral feature from Kaluza-Klein dark matter (2016)
  • 著者名/発表者名: Masaki Mori and Satoshi Tsuchida
  • 学会等名: 6th International Symposium on High-Energy Gamma-Ray Astronomy (Gamma2016)
  • 発表場所: Heidelberg, Germany
  • 年月日: 2016-07-11
  • 国際学会
• [図書] 宇宙物理学ハンドブック (2020)
  • 著者名/発表者名: 高原文郎、家正則、小玉英雄、高橋忠幸(編)、森 正樹(分担執筆)
  • 総ページ数: 912
  • 出版者: 朝倉書店
  • ISBN: 9784254131277
• [図書] 天体物理学 (2019)
  • 著者名/発表者名: Arnab Rai Choudhuri(著)、森 正樹(訳)
  • 総ページ数: 448
  • 出版者: 森北出版
  • ISBN: 9784627275119
• [備考] 立命館大学理工学部物理科学科 森研究室
  • URL: http://www.ritsumei.ac.jp/se/rp/physics/lab/astro/
• [備考] CALET - CALorimetirc Electron Telescope
  • URL: http://calet.jp/
• [備考] CALET-USA - CALorimetric Electron Telescope
  • URL: http://calet.phys.lsu.edu/
• [備考] 宇宙ステーション・きぼう 広報・情報センター 高エネルギー電子・ガンマ線観測装置（CALET)
  • URL: http://iss.jaxa.jp/kiboexp/equipment/ef/calet/
• [備考] 宇宙ステーション・きぼう 広報・情報センター 高エネルギー電子・ガンマ線観測装置（CALET）
  • URL: http://iss.jaxa.jp/kiboexp/equipment/ef/calet/
• [備考] CALET - CALorimetric Electron Telescope
  • URL: http://calet.jp/