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2018 年度 実施状況報告書

ハドロンコライダーでの精密測定及びエキゾチックトラックを用いた暗黒物質探査

研究課題

研究課題/領域番号 18K13535
研究機関東京大学

研究代表者

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)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2022-03-31
キーワード暗黒物質 / LHC
研究実績の概要

暗黒物質の存在はさまざまな天文学的観測などによって確立している。その正体というのは未だ不明であるが、それを解き明かすことはは現在の素粒子物理学で最も重要な課題である。大型ハドロン衝突型加速器(LHC)は暗黒物質の正体を探るのに大きな役割を果たすと期待されている。
しかしながら、暗黒物質の加速器での検出というのは概して困難である。なぜならば仮に暗黒物質が生成されたとしても、暗黒物質は検出器を相互作用せずただすり抜けていくだけであるためである。そのため暗黒物質生成に伴って生成される光子やグルーオンなどを観測することで、暗黒物質の持ち去った運動量を推定する。これによって暗黒物質の検出を目指すのが通常であるが、これには大量の標準模型からのバックグランドが存在するという問題がある。
そこで本年度の研究では、暗黒物質の直接生成ではなく、その量子力学的効果を測ることで間接的に暗黒物質の検出を目指す方法を研究した。その結果、LHCでの標準模型過程への微小な補正を検出することで暗黒物質が間接的に発見できることを示した。
具体的には電弱ゲージ相互作用をおこなう暗黒物質のループ補正によって陽子衝突によって生成されるレプトンの微分断面積が補正を受けることを示した。その補正は1%かそれ以下の小さなものであるが、レプトンシグナルはLHCにおいて最も精密に測定可能なオブジェクトであるので、微小な変化であっても検出可能である。この方法は暗黒物質の直接生成に基づく発見能力よりも同じ程度か、場合によってはより強力であることがわかった。
さらにエキゾチックトラックを使った暗黒物質の検出についても研究を行なった。新しいトラック再構成の方法を提案し、暗黒物質の発見可能性が著しく向上することを示した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

当初の予定通り、どのような過程を測定するのが暗黒物質の間接検出にとって有効なのかを解き明かすことができた。この方法はLHCでの新しい暗黒物質検出の方法として注目をあびている。
もうひとつの課題であるエキゾチックトラックを用いた暗黒物質探査に関しては実験屋との議論は続いており、十分進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

LHCにおいて、暗黒物質の間接検出というテクニックが非常に有用であることがわかったので、それをもっと深めるための研究を行う。
まずは非摂動的効果も取り入れた暗黒物質の間接検出の研究を行う。今までは摂動的計算に基づいたものであるが、暗黒物質のタイプにとってはこの非摂動的効果が効き得る。
もうひとつは実験グループと共同研究を行い、系統誤差なども考慮した暗黒物質の検出可能性を調べる予定である。

次年度使用額が生じた理由

旅費の概算と実費の違いにより,未使用額が生じた。翌年度の会議登録費などで使用する予定である。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 2件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 7件、 招待講演 3件)

  • [国際共同研究] Munich, Max Planck Inst.(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Munich, Max Planck Inst.
  • [国際共同研究] UC Davis(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      UC Davis
  • [雑誌論文] Indirect probe of electroweak-interacting particles with mono-lepton signatures at hadron colliders2019

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Shigeki、Shirai Satoshi、Takeuchi Michihisa
    • 雑誌名

      Journal of High Energy Physics

      巻: 2019 ページ: 076

    • DOI

      10.1007/JHEP03(2019)076

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Higgsino dark matter or not: Role of disappearing track searches at the LHC and future colliders2018

    • 著者名/発表者名
      Fukuda Hajime、Nagata Natsumi、Otono Hidetoshi、Shirai Satoshi
    • 雑誌名

      Physics Letters B

      巻: 781 ページ: 306~311

    • DOI

      10.1016/j.physletb.2018.03.088

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Indirect probe of electroweakly interacting particles at the high-luminosity Large Hadron Collider2018

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Shigeki、Shirai Satoshi、Takeuchi Michihisa
    • 雑誌名

      Journal of High Energy Physics

      巻: 2018 ページ: 049

    • DOI

      10.1007/JHEP06(2018)049

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Low-scale gauge mediation after LHC Run 22018

    • 著者名/発表者名
      Lu Xiaochuan、Shirai Satoshi
    • 雑誌名

      Physics Letters B

      巻: 784 ページ: 237~247

    • DOI

      10.1016/j.physletb.2018.07.057

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Primordial gravitational waves, precisely: the role of thermodynamics in the Standard Model2018

    • 著者名/発表者名
      Saikawa Ken'ichi、Shirai Satoshi
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 2018 ページ: 035

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2018/05/035

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] How to exploit the available LHC data2019

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      Joint Kavli IPMU - ICEPP Workshop on Future Directions for HEP
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Minimal Dark Matter at Colliders2018

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      Planck 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Minimal Dark Matter at Colliders2018

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      alcw2018
    • 国際学会
  • [学会発表] SUSY and Cosmology/Naturalness2018

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      Joint Kavli IPMU - ICEPP Workshop on New Directions for LHC: Run 2 and Beyond
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Indirect Probe of Minimal Dark Matter at Collider2018

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      SUSY2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Standard Model Thermodynamics: Effect on Gravitational Wave and Dark Matter2018

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      PACIFIC2018.9
    • 国際学会
  • [学会発表] Phenomenological consequences of the (refined) swampland conjecture2018

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      PGU2018
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2019-12-27  

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