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暗黒物質の正体の解明は現在の素粒子物理学にとって最も重要な目的のひとつであり、さまざまな探索が行われている。加速器による新粒子の探査は有効な手段であり、現在稼働中の大型ハドロン衝突型加速器(LHC)でも暗黒物質の発見が大きな目標である。しかしながら、暗黒物質が生成されたとしても、暗黒物質自体は検出ができないため、暗黒物質の探査は一般には難しい。そのため、暗黒物質の発見にはどのようなシグナルを捉えるべきなのかということが肝要になる。本研究ではエキゾチックトラックと精密測定を用いた暗黒物質の探査についての研究を行った。
精密測定については暗黒物質そのもののシグナルではなくて、暗黒物質の量子効果を標準模型の精密測定を通して観測することで、間接的に暗黒物質の検出を捉えるものである。本研究では、LHCにおけるレプトンの生成断面積に対する影響を量子効果の高次まで求めることに成功し、暗黒物質の質量と量子数に制限を与えた。
暗黒物質が電弱相互作用を行っている場合は暗黒物質の他にアイソスピンの異なる荷電パートナーとなる粒子が存在する。これらの荷電パートナーの崩壊長はセンチメートルのオーダーであり、この荷電粒子のトラックの直接検出することで、暗黒物質に関する感度は向上する場合がある。この荷電トラックについて新しい検出法を提案し、電弱相互作用する暗黒物質について多くのパラメータ領域が探査できることを示した。また、荷電パートナーの崩壊物がバックグランド峻別に有用であることを示し、これによってシグナルバックグランド比が10倍ほど向上し、探査不能だったパラメータ領域を探ることが可能になった。
最終年度ではその荷電パートナーの崩壊の精密計算を行い、現在までに最も正確な理論予言を得ることに成功した。この理論予言を用いて、ウィーノと呼ばれる暗黒物質のLHCでの探査可能領域を明らかにした。
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