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

• 研究課題/領域番号: 17H04836
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 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)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 23,920千円 (直接経費: 18,400千円、間接経費: 5,520千円); 2020年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円); 2019年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円); 2018年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円); 2017年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
• キーワード: 暗黒物質対消滅 / 高エネルギー天体 / 全天ガンマ線解析 / 全天ガンマ線データ解析 / ガンマ線宇宙物理学

研究成果の概要

暗黒物質の最有力候補のひとつと考えられてきた、弱く相互作用する重い粒子、通称WIMPについて全天にわたるガンマ線データを用いることで、最も正確な制限を与えることに成功した。特にフェルミ衛星によるGeV領域のガンマ線データとダークエネルギーサーベイによる重力レンズデータの相互相関を取ることにより、WIMPに対する制限を得ただけでなく、高エネルギーガンマ線天体がダークマター構造の中に埋め込まれる形で存在していることを直接証明することに初めて成功した。
また、これらのWIMPに対して、暗黒物質の小規模構造における準解析的モデルを構築し、先行研究よりもより正確な制限を与えることにも成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

暗黒物質の正体を解き明かすことは現代物理学の最重要課題の一つである。長年に渡ってWIMPは暗黒物質の最有力候補と考えられており、このためその性質を既に存在している大規模ガンマ線データを最新の統計的手法を用いることで突き止めることは、非常に大きな学術的意味を有する。本研究で得たWIMPに対する制限は世界をリードするものであり、また将来の暗黒物質探査の方向性を決める上で、極めて深い意義を持っている。

研究成果

• [国際共同研究] アムステルダム大学(オランダ)
• [国際共同研究] インペリアルカレッジ・ロンドン(英国)
• [国際共同研究] カーネギーメロン大学/ヴァージニア工科大学(米国)
• [国際共同研究] 香港中文大学(中国)
• [国際共同研究] アムステルダム大学(オランダ)
• [国際共同研究] トリノ大学(イタリア)
• [国際共同研究] スタンフォード大学(米国)
• [国際共同研究] アムステルダム大学(オランダ)
• [国際共同研究] MSSL UCL(英国)
• [国際共同研究] アムステルダム大学(オランダ)
• [国際共同研究] MSSL UCL(英国)
• [雑誌論文] Cherenkov Telescope Array sensitivity to the putative millisecond pulsar population responsible for the Galactic Centre excess (2021)
  • 著者名/発表者名: Macias, Oscar and van Leijen, Harm and Song, Deheng and Ando, Shin'ichiro and Horiuchi, Shunsaku and Crocker, Roland M.
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 506 号: 2 ページ: 1741-1760
  • DOI: 10.1093/mnras/stab1450
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Sommerfeld-enhanced dark matter searches with dwarf spheroidal galaxies (2021)
  • 著者名/発表者名: Ando Shin’ichiro、Ishiwata Koji
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 104 号: 2 ページ: 023016-023016
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.023016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Decaying dark matter in dwarf spheroidal galaxies: Prospects for x-ray and gamma-ray telescopes (2021)
  • 著者名/発表者名: Ando Shin’ichiro、Barik Suvendu K.、Feng Zhuoran、Finetti Marco、Chaves Andreas Guerra、Kanuri Sahaja、Kleverlaan Jorinde、Ma Yixuan、Di Serracapriola Nicolo Maresca、Meinema Matthew S. P.、Martinez Imanol Navarro、Ng Kenny C. Y.、Peerbooms Ebo、van Veen Casper A.、Zimmer Fabian
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 104 号: 2 ページ: 023022-023022
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.023022
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Searches for sterile neutrinos and axionlike particles from the Galactic halo with eROSITA (2021)
  • 著者名/発表者名: Dekker Ariane、Peerbooms Ebo、Zimmer Fabian、Ng Kenny C. Y.、Ando Shin’ichiro
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 104 号: 2 ページ: 023021-023021
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.023021
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Virial Halo Mass Function in the Planck Cosmology (2021)
  • 著者名/発表者名: Shirasaki Masato、Ishiyama Tomoaki、Ando Shin’ichiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 922 号: 1 ページ: 89-89
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac214b
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Probing dark matter signals in neutrino telescopes through angular power spectrum (2020)
  • 著者名/発表者名: Dekker Ariane、Chianese Marco、Ando Shin'ichiro
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2020 号: 09 ページ: 007-007
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/09/007
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Cross-correlation of the extragalactic gamma-ray background with the thermal Sunyaev-Zel’dovich effect in the cosmic microwave background (2020)
  • 著者名/発表者名: Shirasaki Masato、Macias Oscar、Ando Shin’ichiro、Horiuchi Shunsaku、Yoshida Naoki
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 101 号: 10 ページ: 103022-103022
  • DOI: 10.1103/physrevd.101.103022
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structure formation models weaken limits on WIMP dark matter from dwarf spheroidal galaxies (2020)
  • 著者名/発表者名: Ando Shin’ichiro、Geringer-Sameth Alex、Hiroshima Nagisa、Hoof Sebastian、Trotta Roberto、Walker Matthew G.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 102 号: 6 ページ: 016302-016302
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.061302
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The abundance and structure of subhaloes near the free streaming scale and their impact on indirect dark matter searches (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishiyama Tomoaki、Ando Shin’ichiro
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 492 号: 3 ページ: 3662-3671
  • DOI: 10.1093/mnras/staa069
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Probing heavy dark matter decays with multi-messenger astrophysical data (2020)
  • 著者名/発表者名: Koji Ishiwata, Oscar Macias, Shin'ichiro Ando, Makoto Arimoto
  • 雑誌名: JCAP 巻: 01 号: 01 ページ: 003-003
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/01/003
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Constraining dark matter annihilation with HSC low surface brightness galaxies (2020)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto Daiki、Macias Oscar、Nishizawa Atsushi J.、Hayashi Kohei、Takada Masahiro、Shirasaki Masato、Ando Shin'ichiro
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2020 号: 01 ページ: 059-059
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/01/059
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Detection of Cross-Correlation between Gravitational Lensing and γ Rays (2020)
  • 著者名/発表者名: Ammazzalorso S.、Gruen D.、Regis M.、Camera S.、Ando S.、Fornengo N.他
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 124 号: 10 ページ: 101102-101102
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.101102
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Smallest halos in thermal wino dark matter (2019)
  • 著者名/発表者名: Ando Shin’ichiro、Kamada Ayuki、Sekiguchi Toyokazu、Takahashi Tomo
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 100 号: 12 ページ: 123519-123519
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.123519
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Halo Substructure Boosts to the Signatures of Dark Matter Annihilation (2019)
  • 著者名/発表者名: Ando Shin’ichiro、Ishiyama Tomoaki、Hiroshima Nagisa
  • 雑誌名: Galaxies 巻: 7 号: 3 ページ: 68-68
  • DOI: 10.3390/galaxies7030068
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery prospects of dwarf spheroidal galaxies for indirect dark matter searches (2019)
  • 著者名/発表者名: Ando Shin'ichiro、Kavanagh Bradley J.、Macias Oscar、Alves Tiago、Broersen Siebren、Delnoij Stijn、Goldman Thomas、Groefsema Jim、Kleverlaan Jorinde、Lenssen Ja?r、Muskens Toon、Visser Liam X. Palma、Peerbooms Ebo、Linden Bram van der、Verberne Sill
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2019 号: 10 ページ: 040-040
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2019/10/040
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Strong evidence that the galactic bulge is shining in gamma rays (2019)
  • 著者名/発表者名: Macias Oscar、Horiuchi Shunsaku、Kaplinghat Manoj、Gordon Chris、Crocker Roland M.、Nataf David M.
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2019 号: 09 ページ: 042-042
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2019/09/042
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Inverse Compton emission from millisecond pulsars in the Galactic bulge (2019)
  • 著者名/発表者名: Song Deheng、Macias Oscar、Horiuchi Shunsaku
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 99 号: 12 ページ: 123020-123020
  • DOI: 10.1103/physrevd.99.123020
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Angular power spectrum analysis on current and future high-energy neutrino data (2019)
  • 著者名/発表者名: Dekker Ariane、Ando Shin'ichiro
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2019 号: 02 ページ: 002-002
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2019/02/002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Precision constraints on radiative neutrino decay with CMB spectral distortion (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 98 号: 2 ページ: 023001-023001
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.023001
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Modeling evolution of dark matter substructure and annihilation boost (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiroshima Nagisa、Ando Shin’ichiro、Ishiyama Tomoaki
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 97 号: 12 ページ: 123002-123002
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.123002
  • NAID: 130007734958
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A Gaia DR2 search for dwarf galaxies towards Fermi-LAT sources: implications for annihilating dark matter (2018)
  • 著者名/発表者名: Ciuca Ioana、Kawata Daisuke、Ando Shin’ichiro、Calore Francesca、Read Justin I、Mateu Cecilia
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 480 号: 2 ページ: 2284-2291
  • DOI: 10.1093/mnras/sty1994
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Constraints on MeV dark matter using neutrino detectors and their implication for the 21-cm results (2018)
  • 著者名/発表者名: Klop Niki、Ando Shin’ichiro
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 98 号: 10 ページ: 103004-103004
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.103004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] One-point fluctuation analysis of IceCube neutrino events outlines a significant unassociated isotropic component and constrains the Galactic contribution (2018)
  • 著者名/発表者名: Feyereisen Michael R.、Gaggero Daniele、Ando Shin’ichiro
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 97 号: 10 ページ: 103017-103017
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.103017
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effects of a neutrino-dark energy coupling on oscillations of high-energy neutrinos (2018)
  • 著者名/発表者名: Klop Niki、Ando Shin’ichiro
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 97 号: 6 ページ: 063006-063006
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.063006
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Cosmic Neutrinos: From meV to PeV (2021)
  • 著者名/発表者名: 安藤真一郎
  • 学会等名: 25th Symposium on Astroparticle Physics in the Netherlands
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ダークマター：小規模構造と高エネルギー観測への示唆 (2021)
  • 著者名/発表者名: 安藤真一郎
  • 学会等名: 高エネルギー宇宙物理学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Searching for particle dark matter by cross-correlating gamma rays and large-scale structure (2020)
  • 著者名/発表者名: 安藤真一郎
  • 学会等名: 加速宇宙シンポジウム
  • 国際学会
• [学会発表] Understanding halo substructure for indirect dark matter searches (2019)
  • 著者名/発表者名: 安藤真一郎
  • 学会等名: 43rd Johns Hopkins Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Generic constraints on sources of the diffuse neutrino background (2019)
  • 著者名/発表者名: 安藤真一郎
  • 学会等名: Perspectives in Astroparticle physics from High Energy Neutrinos
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Astrophysical neutrino theory (2019)
  • 著者名/発表者名: 安藤真一郎
  • 学会等名: Prospects in Neutrino Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Modeling Evolution of Dark Matter Substructure and Annihilation Boost (2019)
  • 著者名/発表者名: 廣島渚
  • 学会等名: 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-」
  • 国際学会
• [学会発表] Analytic modeling of subhalo evolution and annihilation boost (2018)
  • 著者名/発表者名: 安藤真一郎
  • 学会等名: Halo Substructure and Dark Matter Searches
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Modeling evolution of dark matter substructure and annihilation boost (2018)
  • 著者名/発表者名: 安藤真一郎
  • 学会等名: TeV Particle Astrophysics
  • 国際学会
• [学会発表] Modeling dark matter substructure and annihilation boost for indirect searches (2018)
  • 著者名/発表者名: 安藤真一郎
  • 学会等名: Dark Ghosts
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Analytic modeling of subhalo evolution and annihilation boost (2018)
  • 著者名/発表者名: 安藤真一郎
  • 学会等名: 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
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Modeling evolution of dark matter substructure and annihilation boost (2018)
  • 著者名/発表者名: 廣島渚
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [学会発表] Modeling evolution of dark matter substructure and annihilation boost (2018)
  • 著者名/発表者名: 廣島渚
  • 学会等名: COSMO 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Precision constraints on radiative neutrino decay with CMB spectral distortion (2018)
  • 著者名/発表者名: Reemst Marnix、van Arneman Dylan R
  • 学会等名: TeV Particle Astrophysics
  • 国際学会
• [学会発表] Searching for non-Gravitational Signatures of Dark Matter in the Galactic Center (2018)
  • 著者名/発表者名: Oscar Macias
  • 学会等名: 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
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Constraints on MeV dark matter using neutrino detectors and their implication for the 21-cm results (2018)
  • 著者名/発表者名: Niki Klop
  • 学会等名: TeV Particle Astrophysics
  • 国際学会
• [学会発表] Modeling Evolution of Dark Matter Substructure and Annihilation Boost (2018)
  • 著者名/発表者名: 廣島渚
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [学会発表] How bright can the brightest neutrino source be? (2017)
  • 著者名/発表者名: 安藤真一郎
  • 学会等名: TeV Particle Astrophysics
  • 国際学会
• [学会発表] Power of angular power: Implications for dark matter and cosmic neutrinos (2017)
  • 著者名/発表者名: 安藤真一郎
  • 学会等名: Dark Matter, Neutrinos, and Their Connections
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 安藤真一郎
  • 学会等名: 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