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2021 Fiscal Year Annual Research Report

宇宙構造形成理論から迫るダークマター

Planned Research

Project AreaWhat is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter
Project/Area Number 20H05861
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

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)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 樽家 篤史  京都大学, 基礎物理学研究所, 准教授 (40334239)
岡本 崇  北海道大学, 理学研究院, 教授 (50541893)
西道 啓博  京都大学, 基礎物理学研究所, 特定准教授 (60795417)
白崎 正人  統計数理研究所, 統計思考院, 助教 (70767821)
Dalal Neal  東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 客員上級科学研究員 (90873513)
Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
Keywordsダークマター / 構造形成
Outline of Annual Research Achievements

前年度に構築した構造形成の準解析的モデルをさまざまなダークマター候補粒子の場合に適用した。対消滅断面積が速度依存性を持つような場合(Ando, Ishiwata, 2021, Phys. Rev. D 104, 023016)、WDMの場合(Dekker et al., 2021, Phys. Rev. D 104, 023021)、超重ダークマターの場合(Ando et al., 2021, Phys. Rev. D 104, 023022)において、期待されるシグナルの予言を行い、将来計画における検出可能性の議論を行った。ニュートリノ望遠鏡を用いて、重いダークマターの崩壊や対消滅を制限する研究も行っている(Basegmez du Pree et al., 2021, JCAP 05, 054)。さらにはハローの質量関数に関しても、最大規模の数値シミュレーションの結果を用いることで大幅なアップデートを行なった(Shirasaki et al., 2021, Astrophys. J. 922, 89)。
ダークマターが比較的軽いアクシオンやそれに類する粒子で構成されている場合に、それらが可視領域やX線領域の光子へと崩壊する可能性がある。この可能性について、銀河ハローからのX線放射を用いたり(Dekker et al., 2021, Phys. Rev. D 104, 023021)、あるいは可視赤外領域の将来計画などで得られる背景放射と銀河カタログとのクロス相関をとること(Shirasaki, 2021, Phys. Rev. D, 103, 03014)で検証を行なった。
その他にも構造形成の理論モデルを用いることで宇宙論のさまざまな側面に関する研究を進めてきた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度においてWDMの準解析的モデルの構築を行うことに成功し、論文の投稿を行なった。これをもってCDMとWDMに関するモデル化にひとまず成功したということができ、研究計画が順調に進展しているといえよう。これらをベースにすることで、矮小銀河や銀河ハローにおけるダークマター分布を用いて、候補粒子の性質を詳細に探る研究をより精密化することができた。
WDMのシミュレーションに関しては、一通り計算が終了し、前述した解析モデルと比較することで更なる理解を目指しているところである。
研究計画に記述していた他の候補である、自己相互するダークマター(SIDM)やファジーダークマター(FDM)についてもすでに研究を開始しており、それぞれにおいて、孤立系のダークマターシミュレーションと解析モデルとの比較、超低輝度衛生銀河の速度分散のプロファイルを用いた制限を誠意進めているところである。

Strategy for Future Research Activity

CDM以外のダークマターの有力候補である、WDM、SIDMやFDMにより一層注力して研究を進めていく。
SIDMに関しては孤立系シミュレーションからさらに発展させて、宇宙論的シミュレーションによるデータを用いることで、準解析的モデルの精密化をさらに進めていく。ゆくゆくはサブハローの密度プロファイルや質量関数を求めるコードを開発して公開する予定である。
FDMに関しては我々の研究成果により、矮小銀河、特に超低輝度を持つものを用いることで、最も効率よく制限を与えられることが示された。これをさらに発展させるべく、CDMにおいて開発したサブハローの準解析的モデルと矮小銀河の運動学的データを効率よく用いることで、FDMの質量に対して最も現実的な制限を与えることを目指す。
WDMに関しては、通常のN体シミュレーションでは、小スケールでの統計ノイズの問題が常に付き纏ってきた。これを払拭すべく、Vlasov方程式を数値的に解くことで全く新しい道筋を示すことを計画している。数値的にさまざまな困難が予想されるものの、このアプローチでなされた研究は未だ存在しない。このため、我々の研究が今後の研究の方向性を左右する貴重な資金石となることが高く期待できる。

  • Research Products

    (36 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (6 results) Journal Article (19 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Peer Reviewed: 19 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] アムステルダム大学/Nikhef(オランダ)

    • Country Name
      NETHERLANDS
    • Counterpart Institution
      アムステルダム大学/Nikhef
  • [Int'l Joint Research] Universite catholique de Louvain(ベルギー)

    • Country Name
      BELGIUM
    • Counterpart Institution
      Universite catholique de Louvain
  • [Int'l Joint Research] Universita degli studi di Napoli/INFN(イタリア)

    • Country Name
      ITALY
    • Counterpart Institution
      Universita degli studi di Napoli/INFN
  • [Int'l Joint Research] Korea Astron and Space Science Inst(韓国)

    • Country Name
      KOREA (REP. OF KOREA)
    • Counterpart Institution
      Korea Astron and Space Science Inst
  • [Int'l Joint Research] Sun Yat-sen University(中国)

    • Country Name
      CHINA
    • Counterpart Institution
      Sun Yat-sen University
  • [Int'l Joint Research]

    • # of Other Countries
      5
  • [Journal Article] The Subaru HSC weak lensing mass-observable scaling relations of spectroscopic galaxy groups from the GAMA survey2022

    • Author(s)
      Rana Divya、More Surhud、Miyatake Hironao、Nishimichi Takahiro、Takada Masahiro、Robotham Aaron S G、Hopkins Andrew M、Holwerda Benne W
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 510 Pages: 5408~5425

    • DOI

      10.1093/mnras/stac007

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Mock catalogues of emission-line galaxies based on the local mass density in dark-matter only simulations2022

    • Author(s)
      Osato Ken、Nishimichi Takahiro、Takada Masahiro
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 511 Pages: 1131~1140

    • DOI

      10.1093/mnras/stac124

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Precision analysis of the redshift-space galaxy bispectrum2022

    • Author(s)
      Ivanov Mikhail M.、Philcox Oliver H. E.、Nishimichi Takahiro、Simonovic Marko、Takada Masahiro、Zaldarriaga Matias
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 105 Pages: 063512

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.105.063512

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Cosmological constraints without nonlinear redshift-space distortions2022

    • Author(s)
      Ivanov Mikhail M.、Philcox Oliver H. E.、Simonovic Marko、Zaldarriaga Matias、Nischimichi Takahiro、Takada Masahiro
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 105 Pages: 043531

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.105.043531

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Sommerfeld-enhanced dark matter searches with dwarf spheroidal galaxies2021

    • Author(s)
      Ando Shin’ichiro、Ishiwata Koji
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 104 Pages: 023016

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.104.023016

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Searches for sterile neutrinos and axionlike particles from the Galactic halo with eROSITA2021

    • Author(s)
      Dekker Ariane、Peerbooms Ebo、Zimmer Fabian、Ng Kenny C. Y.、Ando Shin’ichiro
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 104 Pages: 023021

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.104.023021

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Decaying dark matter in dwarf spheroidal galaxies: Prospects for x-ray and gamma-ray telescopes2021

    • Author(s)
      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
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 104 Pages: 023022

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.104.023022

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Robust limits from upcoming neutrino telescopes and implications on minimal dark matter models2021

    • Author(s)
      Basegmez du Pree S.、Arina C.、Cheek A.、Dekker A.、Chianese M.、Ando S.
    • Journal Title

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      Volume: 2021 Pages: 054~054

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2021/05/054

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Toward a more stringent test of gravity with the redshift space power spectrum: Simultaneous probe of growth and amplitude of large-scale structure2021

    • Author(s)
      Song Yong-Seon、Zheng Yi、Taruya Atsushi
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 104 Pages: 043528

    • DOI

      10.1103/physrevd.104.043528

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Impacts of overlapping gravitational-wave signals on the parameter estimation: Toward the search for cosmological backgrounds2021

    • Author(s)
      Himemoto Yoshiaki、Nishizawa Atsushi、Taruya Atsushi
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 104 Pages: 044010

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.104.044010

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Wide-angle effects on galaxy ellipticity correlations2021

    • Author(s)
      Shiraishi Maresuke、Taruya Atsushi、Okumura Teppei、Akitsu Kazuyuki
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters

      Volume: 503 Pages: L6~L10

    • DOI

      10.1093/mnrasl/slab009

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Lagrangian approach to super-sample effects on biased tracers at field level: galaxy density fields and intrinsic alignments2021

    • Author(s)
      Taruya Atsushi、Akitsu Kazuyuki
    • Journal Title

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      Volume: 2021 Pages: 061~061

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2021/11/061

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Implementing spectra response function approaches for fast calculation of power spectra and bispectra2021

    • Author(s)
      Osato Ken、Nishimichi Takahiro、Taruya Atsushi、Bernardeau Francis
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 104 Pages: 103501

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.104.103501

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Testing the effect of resolution on gravitational fragmentation with Lagrangian hydrodynamic schemes2021

    • Author(s)
      Yamamoto Yasuyoshi、Okamoto Takashi、Saitoh Takayuki R
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 504 Pages: 3986~3995

    • DOI

      10.1093/mnras/stab1095

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A Phase-space View of Cold-gas Properties of Virgo Cluster Galaxies: Multiple Quenching Processes at Work?2021

    • Author(s)
      Morokuma-Matsui Kana、Kodama Tadayuki、Morokuma Tomoki、Nakanishi Kouichiro、Koyama Yusei、Yamashita Takuji、Koyama Shuhei、Okamoto Takashi
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 914 Pages: 145~145

    • DOI

      10.3847/1538-4357/abedb6

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Searching for eV-mass axionlike particles with cross correlations between line intensity and weak lensing maps2021

    • Author(s)
      Shirasaki Masato
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 103 Pages: 103014

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.103.103014

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Stacked phase-space density of galaxies around massive clusters: comparison of dynamical and lensing masses2021

    • Author(s)
      Shirasaki Masato、Egami Eiichi、Okabe Nobuhiro、Miyazaki Satoshi
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 506 Pages: 3385~3405

    • DOI

      10.1093/mnras/stab1961

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Virial Halo Mass Function in the Planck Cosmology2021

    • Author(s)
      Shirasaki Masato、Ishiyama Tomoaki、Ando Shin’ichiro
    • Journal Title

      The Astrophysical Journal

      Volume: 922 Pages: 89~89

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ac214b

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Differences in star formation activity between tidally triggered and isolated bars: a case study of NGC 4303 and NGC 36272021

    • Author(s)
      Iles Elizabeth J、Pettitt Alex R、Okamoto Takashi
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 510 Pages: 3899~3916

    • DOI

      10.1093/mnras/stab3330

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] HSC宇宙論:エミュレーション技術に基づく理論模型の準備2022

    • Author(s)
      西道啓博
    • Organizer
      日本物理学会第77回年会
  • [Presentation] Dark Quest II: 宇宙の大規模構造高精度解析コードの整備状況2022

    • Author(s)
      西道啓博
    • Organizer
      日本天文学会春季年会
  • [Presentation] Dark Quest II:: 距離依存する成長率を持つ宇宙モデルにおける銀河バイアス2022

    • Author(s)
      西道啓博
    • Organizer
      令和3年度国立天文台CfCAユーザーズミーティング
  • [Presentation] Update from group C02: Cosmic structure formation2022

    • Author(s)
      Shin'ichiro Ando
    • Organizer
      "What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter"
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Cosmological prior for the J-factor estimation of dwarf spheroidal galaxies2022

    • Author(s)
      Shunichi Horigome
    • Organizer
      "What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter"
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Classification of cosmic structures for galaxies with machine learning: connecting cosmological simulations with observations2022

    • Author(s)
      Shigeki Inoue
    • Organizer
      "What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter"
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dark Quest II: 距離依存した成長率を持つ宇宙モデルにおける銀河バイアス2021

    • Author(s)
      西道啓博
    • Organizer
      日本天文学会秋季年会
  • [Presentation] The Dark Quest project for cosmological emulation2021

    • Author(s)
      Takahiro Nishimichi
    • Organizer
      Debating the potential of machine learning in astronomical surveys
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] On the nonlinear growth of anisotropic clustering2021

    • Author(s)
      Takahiro Nishimichi
    • Organizer
      Galaxy shape statistics and Cosmology
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Dark Quest II: 距離依存した成長率を持つ宇宙モデルにおける銀河バイアス2021

    • Author(s)
      西道啓博
    • Organizer
      第10回観測的宇宙論ワークショップ
  • [Presentation] 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

    • Author(s)
      安藤真一郎
    • Organizer
      高エネルギー宇宙物理学研究会
    • Invited

URL: 

Published: 2023-12-25  

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