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暗黒物質の詳細な性質の解明に向けて

研究課題

研究課題/領域番号 18J10202
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理(理論)
研究機関東京大学

研究代表者

柳 圭祐  東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2018-04-25 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2018年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワード暗黒物質 / Small scale problem
研究実績の概要

宇宙論の標準模型では、「冷たい暗黒物質」が仮定される。この模型では暗黒物質は重力相互作用のみを行う。一方暗黒物質が質量 keV 程度と軽い場合、宇宙の進化の比較的後期まで相対論的に運動し、「熱い暗黒物質」となることが知られている。このような暗黒物質はその free-streaming によって宇宙の小規模構造を均してしまう。この効果が観測された宇宙の構造を再現できないくらい強い場合、そのような暗黒物質模型は棄却される。
本研究では、軽い暗黒物質がfreeze-in というプロセスで作られる場合に、宇宙の構造形成からくる制限を暗黒物質の素粒子模型パラメータの制限へと焼き直す方法を発展させた。特に得られた中間結果をニューラルネットワークによってフィットし、後々の観測のアップデートに即座に対応できるようにするとともに、データを公開することで他の研究者が容易に使えるようにした。
また、中性子星の表面温度観測は新たな暗黒物質探索の方法として非常に有望である。歳老いた中性子星の温度を測定することで暗黒物質の間接的な存在証拠を探ることができる。特にこの方法では地上で行う実験と比べて、非弾性散乱が起こりやすくそのような散乱の断面積が大きい模型を探索するのに非常に有効である。
本研究ではこのような先行研究のシナリオをより詳細に検討した。上記の方法には、もし中性子星に暗黒物質以外の加熱源があり、さらにそちらの効果の方が大きい場合には使えないという欠点がある。本研究ではRotochemical heatingという加熱源と暗黒物質による加熱との比較を行い、暗黒物質探索が可能になる条件を明らかにした。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2020 2019 2018

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 4件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Cooling theory faced with old warm neutron stars: role of non-equilibrium processes with proton and neutron gaps2020

    • 著者名/発表者名
      Yanagi Keisuke、Nagata Natsumi、Hamaguchi Koichi
    • 雑誌名

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      巻: 492 号: 4 ページ: 5508-5523

    • DOI

      10.1093/mnras/staa076

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fingerprint matching of beyond-WIMP dark matter: neural network approach2020

    • 著者名/発表者名
      Bae Kyu Jung、Jinno Ryusuke、Kamada Ayuki、Yanagi Keisuke
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 2020 号: 03 ページ: 042-042

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2020/03/042

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Dark matter heating vs. rotochemical heating in old neutron stars2019

    • 著者名/発表者名
      Hamaguchi Koichi、Nagata Natsumi、Yanagi Keisuke
    • 雑誌名

      Physics Letters B

      巻: 795 ページ: 484-489

    • DOI

      10.1016/j.physletb.2019.06.060

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Constraining FIMP from the structure formation of the Universe: analytic mapping from mWDM2019

    • 著者名/発表者名
      Kamada Ayuki、Yanagi Keisuke
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 2019 号: 11 ページ: 029-029

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2019/11/029

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Self-interacting dark matter and muon (g - 2) in a gauged U1Lμ-Lτ model2018

    • 著者名/発表者名
      Kamada Ayuki、Kaneta Kunio、Yanagi Keisuke、Yu Hai-Bo
    • 雑誌名

      Journal of High Energy Physics

      巻: - 号: 6

    • DOI

      10.1007/jhep06(2018)117

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Limit on the axion decay constant from the cooling neutron star in Cassiopeia A2018

    • 著者名/発表者名
      Hamaguchi Koichi、Nagata Natsumi、Yanagi Keisuke、Zheng Jiaming
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 98 号: 10 ページ: 103015-103015

    • DOI

      10.1103/physrevd.98.103015

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Limit on axion decay constant from the cooling neutron star in Cassiopeia A2020

    • 著者名/発表者名
      柳圭祐
    • 学会等名
      Berkeley week
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 中性子星の表面温度観測による暗黒物質の探索可能性2019

    • 著者名/発表者名
      柳圭祐
    • 学会等名
      YITP-PPP2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Dark Matter Heating vs. Rotochemical Heating in Old Neutron Stars2019

    • 著者名/発表者名
      柳圭祐
    • 学会等名
      Dark matter searches in the 2020s - At the crossroads of the WIMP
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 中性子星の表面温度観測による暗黒物質の 探索可能性2019

    • 著者名/発表者名
      柳圭祐
    • 学会等名
      日本物理学会春季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Self-interacting dark matter and muon g-2 in a gauged U(1)_Lmu-Ltau model2018

    • 著者名/発表者名
      柳圭祐
    • 学会等名
      The Dark Side of the Universe 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Self-interacting dark matter and muon g-2 in a gauged U(1)_Lmu-Ltau model2018

    • 著者名/発表者名
      柳圭祐
    • 学会等名
      SUSY2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A Limit on Axion from the Cooling Neutron Star in Cassiopeia A2018

    • 著者名/発表者名
      柳圭祐
    • 学会等名
      8th KIAS workshop on particle physics and cosmology
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2018-05-01   更新日: 2024-03-26  

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