Astroparticlephysics

富山大学

松本 重貴

1. 暗黒物質問題

2. 暗黒物質の正体？

3. 暗黒物質の探査

Astroparticle physicsって何？

素粒子物理学

宇宙物理学

ニュートリノ暗黒物質

暗黒エネルギー宇宙のバリオン数インフレーション

・・・・・

宇宙の暗黒物質問題暗黒物質の存在は確立したが、その正体（質量、スピン、量子数や相互作用）については不明であるという問題！

暗黒物質が存在する証拠-渦巻銀河の回転曲線 -

○ 光で見えない物質（暗黒物質）の存在！○ 暗黒物質は銀河に付随して存在！

暗黒物質が存在する証拠-銀河団観測-

○ 光で見えない物質（暗黒物質）の存在！○ 暗黒物質は銀河団にも付随して存在！

重力レンズ X線

暗黒物質が存在する証拠-宇宙の大規模構造形成-

○ 暗黒物質の平均密度：ΩDM ～ 0.3○ 冷たい（非相対論的）暗黒物質を予言

観測（SDSS） シミュレーション

ΩDM ＝ ρDM /ρｃｒ, , ρｃｒ ＝ １０－５ ｈ２ GeV/cm3 , h = 0.7

暗黒物質が存在する証拠-宇宙背景放射の揺らぎ-

○ 暗黒物質: ΩDMh2 = 0.1099±0.0062○ バリオン： Ωbh

2 = 0.002273±0.00062

観測結果（WMAP）

ΩDM ＝ ρDM /ρｃｒ, , ρｃｒ ＝ １０－５ ｈ２ GeV/cm3 , h = 0.7

T ～ 3000K

暗黒物質が存在する証拠-銀河団の衝突-

○ 赤：バリオン（X線）、青：暗黒物質（重力レンズ）○ 暗黒物質は相互作用の弱い物質で構成！

暗黒物質が存在する証拠-まとめ-

１． 電気的に中性（カラー価も持たない）。２． 宇宙年齢に比べ十分に安定。３． 通常の物質（バリオン）ではない。４． 非相対論的な運動をしている。５． 相互作用が弱い６． （暗黒物質量： ΩDM = 0.11）

標準模型に候補がない！

暗黒物質は未知なる素粒子？

暗黒物質の正体？-正体解明にむけて-

DM?

New Physicsbeyond SM

Colliderexperiments

DM detectionmeasurements

暗黒物質の正体？-正体解明にむけて-

DM?

New Physicsbeyond SM

Colliderexperiments

DM detectionmeasurements

暗黒物質の正体？-New Physics が予言する暗黒物質像-

（例としてWIMP DM hypothesis）

m02 (bare mass) Λ2 corrections

Hierarchy Problem in SM

(100 GeV)2 0.01 (100 TeV)2

0.01 (1 TeV)2

mh2 = +

○ 標準模型は1TeVあたりで破綻すると考えられる

○ New Physicsは1TeVあたりで現れる。

=

暗黒物質の正体？-New Physics が予言する暗黒物質像-

（例としてWIMP DM hypothesis）

New Physicsは1TeVあたりで現れる。1TeV程度の質量を持つ新しい素粒子達を予

言！(それらの中には中性な粒子も普通は存在する）

現在までの実験で このような New Physics の兆候なし…NPの素粒子とSMの素粒子を区別する対称性を持つ？

DMの安定性? EW観測量にたいするNew Physicsの寄与

暗黒物質の正体？-New Physics が予言する暗黒物質像-

（例としてWIMP DM hypothesis）

NP

NPの素粒子とSMの素粒子を区別する対称性を持つ？

(例) Z2 symmetrySM(x) SM(X) and NP(x) -NP(x)

NP

SM

NP

SM

SM

○ 最も軽い新しい素粒子は安定となる。○ もしこの粒子が中性ならDM候補となる。

（DMのSM粒子への対消滅はZ2 symmetryを破らない）

暗黒物質の正体？-New Physics が予言する暗黒物質像-

（例としてWIMP DM hypothesis）

安定で中性な1TeV程度の質量を持つ素粒子の初期宇宙での振る舞いを考える？

Boltzmann Equation

暗黒物質の正体？-New Physics が予言する暗黒物質像-

（例としてWIMP DM hypothesis）

Boltzmann Equationの解

Freeze out at T ～ m/20冷たい暗黒物質

暗黒物質の正体？-New Physics が予言する暗黒物質像-

（例としてWIMP DM hypothesis）

Freeze out at T ～ m/20冷たい暗黒物質

= α2/m2 With α ~ 0.1 and m ~ 1TeV= 1 pb ΩDMh2 = 0.1

安定で中性な1TeV程度の質量を持つ素粒子は暗黒物質の有力な候補！(WIMP DM hypothesis)

暗黒物質の正体？-New Physics が予言する暗黒物質像-

Hierarchy 問題 WIMP dark matter

（例） Neutralino in MSSMHeavy photon in LHT,

1st KK photon in UEDAnti-periodic f in GHU

Neutrino 質量 Sterile (s) neutrinoStrong CP 問題 Axion, AxinoSUSY breaking Gravitino, messenger DM

１． 電気的に中性（カラー価も持たない）。２． 宇宙年齢に比べ十分に安定。３． 通常の物質（バリオン）ではない。４． 非相対論的な運動をしている。５． 相互作用が弱い６． （暗黒物質量： ΩDM = 0.11）

暗黒物質の正体？-正体解明にむけて-

DM?

New Physicsbeyond SM

Colliderexperiments

DM detectionmeasurements

宇宙に存在するDMを使って調べ

る。

人工的にDMを作って調べ

る。

暗黒物質の探査現在の宇宙におけるDM分布

220 km/s

太陽系8kpc

暗黒物質の探査現在の宇宙におけるDM分布

Diffusion zone

20kpc

L

L = 1～15kpc

Tangled magnetic field （～μG ）

暗黒物質の探査現在の宇宙におけるDM分布

260kpc

Dark Matter Halo

暗黒物質の探査現在の宇宙におけるDM分布

N-body simulation Universal Profile (fitting)

ρ(r) = ρc (r/rc)-γ[1 + (r/rc)

α]-(β-γ)/α

DM profile (銀河内におけるDM分布）の評価

α β γNFW 1 3 1

Moore 1.5 3 1.5King 2 3 0

（rc & ρc は各銀河で異なる値を取る。）

暗黒物質の探査現在の宇宙におけるDM分布

Ex.) For NFW profile,ρ(rsun) = 0.3 GeV/c.c. & rc = 20 kpcvc = 300 km/s = 10-3c

(Jean’s equation, Maxwell-Boltzmann)

天の川銀河（銀河系）のDM profile

暗黒物質の探査様々な暗黒物質検出探査法

直接検出： 地上（正確には地下）に設置した物質（検出器）と暗黒物質との散乱で生じるエネルギーを観測。

間接検出： ハロー中で暗黒物質が対消滅あるいは崩壊した際に生じる高エネルギー粒子線を観測。

太陽系

DM 対消滅DM 崩壊

γ, e±, p, ν

SM 粒子達(q, l, W, Z)

－Ge, Xe, etc.

DM

直接検出 間接検出

Crystal

暗黒物質の探査（間接検出）Energetic particles from DM

単位時間、単位体積、単位エネルギーあたりの粒子Iの生成率

DM

(DM)

W

W

eν

q

q

π

p

γ

対消滅

崩壊

1pc3での反応回数(mDM = 500 GeV, ρ(r) = 0.3 GeV/c.c.)は1023回!

(σv = 2×10-26 cm3s-1 or Γ = 6×10-30 s-1)宇宙年齢 = 137億年 = 4.3×1017 s

k

暗黒物質の探査（間接検出）電子・陽電子を使った間接検出

○ 高エネルギー電子・陽電子は１～２ kpcの近傍から来る

○ シグナルは宇宙線中の電子や陽電子成分の異常フラックス

Static solution & fe = 0 at the surface of the zone.

Diffusion 方程式

Signal flux

暗黒物質の探査（間接検出）Total Flux

Annihilation or Decay channelの違い

Hard ← ee μμ ττ WW(ZZ) qq(hh) → Soft

暗黒物質の探査（間接検出）観測結果

HEAT PAMELA PPB-BETS ATIC

暗黒物質の探査（間接検出）暗黒物質は観測結果を説明できるか？

HEAT, PAMELA, ATIC, PPB-BETSは同時に説明可能！Flux の強さ： <σv>～10-23 cm3/s or Γ～10-26 s-1が必要！

スペクトル： 電子・陽電子に直接対消滅（崩壊）することが望ましい！

k

暗黒物質の探査（間接検出）反陽子を使った間接検出

○ 反陽子は質量が重いため、Zone内に長く留まる

○ シグナルは宇宙線中の反陽子成分の異常フラックス

Static solution & fp = 0 at the surface of the zone.

Diffusion 方程式

Signal flux

暗黒物質の探査（間接検出）観測結果

BESS PAMELA

暗黒物質の探査（間接検出）陽電子異常を説明し、反陽子観測と矛盾しないか？

反陽子観測にアノマリーは見つからなかった！暗黒物質対消滅（崩壊）で、ハドロンジェットを作るような候補は反陽子の結果を説明することは難しい！（暗黒物質はレプトンとのみ相互作用？）

Gravitino

Wino

暗黒物質の探査（間接検出）光子を使った間接検出

○ まっすぐ飛んでくる！○ どの波長を見るか？○ どの方向を見るか？

１．物質（暗黒物質）密度２．エネルギー領域３．対象までの距離

+ 見る方向！ (銀河中心、矮小銀河、Diffused γ)

DMからの光子

DM

(DM)

HardB

γ

Soft

CMB

DM

(DM)

DM

(DM)

DM

(DM)

DM

(DM)γγ

γ

γ γ

暗黒物質の探査（間接検出）観測結果

HESS MAGIC

暗黒物質の探査（間接検出）観測結果

EGRET Fermi-GLAST

まとめ

¥¥

１． 暗黒物質問題はAstroparticle Physicsにおいて重要な問題の一つ. （他にも面白い問題は一杯ある）

２． 暗黒物質の存在自身は確立！でも正体はわからず！３． その正体はNew Physicsと密接に関係ありと期待４． 闇黒物質検出に向けた様々な実験が稼働中！５． 電子・陽電子を用いた間接検出： Anomalyあり!!

反陽子を用いて間接検出： Anomalyなしガンマ線を用いた間接検出： Anomalyなし?

闇黒物質の直接検出： まだSignalなし６．これからもどんどん新しいデータが出る予定！！！