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Search for TeV-Range Dark Matter with Electron and Positron Cosmic Rays

公募研究

研究領域ダークマターの正体は何か?- 広大なディスカバリースペースの網羅的研究
研究課題/領域番号 21H05463
研究種目

学術変革領域研究(A)

配分区分補助金
審査区分 学術変革領域研究区分(Ⅱ)
研究機関早稲田大学

研究代表者

Motz Holger  早稲田大学, 理工学術院, 准教授(任期付) (30647904)

研究期間 (年度) 2021-09-10 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
キーワードHeavy Dark Matter / High Energy Cosmic Rays / CALET / AMS‑02 / Supernova Remnants / Dark Matter / High-Energy Cosmic Rays / AMS-02
研究開始時の研究の概要

Annihilation or decay of dark matter particle candidates above the mass range of the standard dark-matter candidate, the Weakly Interacting Massive Particle (WIMP), could be revealed through signatures in the TeV-range spectra of electron and positron cosmic rays. Based on the calculation of the expected signatures and comparison with the spectra measured by the CALET and AMS-02 detectors, this project focuses on narrowing down the potential properties of such dark-matter candidates as part of a collective effort to map the huge parameter space opened up by looking beyond the WIMP paradigm.

研究実績の概要

Limits on Dark Matter (DM) annihilation and decay from a combined analysis of the latest all-electron spectrum measured by CALET [POS ICRC 2021 (105)] and the positron-only spectrum from AMS-02 [Phys. Rev. Lett. 122, 041102] have been calculated up to 100 TeV DM mass based on the reduction of a purely astrophysical source (SNR, pulsar) background model's fit quality when adding the predicted flux from DM.
This background model was improved in two stages to make the limits more reliable and to include nearby SNR sources as an important background for TeV-range DM.
Starting with a phenomenological broken power-law parametrization of the astrophysical background from distant, with only pulsars calculated as individual extra sources to model the positron excess, as a first improvement, known nearby young SNRs (Vela, Cygnus Loop, Monogem) were also added as individual sources. These intermediate method results were shown at IDM2022 and published in the proceedings.
In the final stage method, the background comprises the overlapping spectra of individual SNR and pulsar sources generated randomly throughout the galaxy, replacing the ad-hoc power law parametrization completely. By studying many samples of this most realistic background description, the background variation is taken into account fully. First results with this method were shown in presentations and a full publication is planned in the near future with the latest published data from CALET.
Furthermore, the underlying cosmic ray propagation model was further improved, with the results also presented at a JPS meeting.

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (9件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 3件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Constraints on Heavy Dark Matter Annihilation and Decay from Electron and Positron Cosmic Ray Spectra2023

    • 著者名/発表者名
      Holger Motz
    • 雑誌名

      SciPost Physics Proceedings (accepted)

      巻: -

    • 関連する報告書
      2022 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] Individual Astrophysical Sources as Background for Dark Matter Search with CALET2023

    • 著者名/発表者名
      Holger Motz
    • 学会等名
      The Physical Society of Japan 2023 Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Search for TeV-Range Dark Matter with Electron and Positron Cosmic Rays2023

    • 著者名/発表者名
      Holger Motz
    • 学会等名
      FY2022 学術変革領域研究「ダークマター」シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Constraints on Heavy Dark Matter Annihilation and Decay from Electron and Positron Cosmic Ray Spectra2022

    • 著者名/発表者名
      Holger Motz
    • 学会等名
      14th International Conference on Identification of Dark Matter (IDM2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Constraining the Dark Matter Parameter Space with Cosmic Ray Data from Space-based Detectors2022

    • 著者名/発表者名
      Holger Motz
    • 学会等名
      DM3 - Deep insights and Multiple strategies for Deciphering the Mystery of Dark Matter
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] A Model for Propagation of Cosmic Rays from Nuclei Spectra Measurements2022

    • 著者名/発表者名
      Holger Motz
    • 学会等名
      The Physical Society of Japan 2022 Autumn Meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Indirect Search for Heavy Dark Matter with CALET2022

    • 著者名/発表者名
      Holger Motz
    • 学会等名
      The Physical Society of Japan 2022 Annual Meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Search for TeV-Range Dark Matter with Electron and Positron Cosmic Rays2022

    • 著者名/発表者名
      Holger Motz
    • 学会等名
      FY2021 学術変革領域研究「ダークマター」シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Extending Dark Matter Limits from Electron and Positron Cosmic Rays to the TeV-region2021

    • 著者名/発表者名
      Holger Motz
    • 学会等名
      Kashiwa Dark Matter Symposium
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2021-10-22   更新日: 2023-12-25  

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