Astroparticle physics 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 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 物理学 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 - 重力レンズ X 線 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!
暗黒物質が存在する証拠 - 宇宙の大規模構造形成 - 観測 (SDSS) シミュレーション 暗黒物質の平均密度 :Ω DM ~0.3 冷たい ( 非相対論的 ) 暗黒物質を予言 Ω DM =ρ DM /ρ cr,, ρ cr =10-5 h 2 GeV/cm 3, h = 0.7
暗黒物質が存在する証拠 - 宇宙背景放射の揺らぎ - T ~ 3000K 観測結果 (WMAP) 暗黒物質 : Ω DM h 2 = 0.1099±0.0062 バリオン : Ω b h 2 = 0.002273±0.00062 Ω DM =ρ DM /ρ cr,, ρ cr =10-5 h 2 GeV/cm 3, h = 0.7
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 : Ω DM =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 - New Physics beyond SM DM? Collider experiments DM detection measurements
暗黒物質の正体? - 正体解明にむけて - New Physics beyond SM DM? Collider experiments DM detection measurements
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) Hierarchy Problem in SM m h2 = + m 02 (bare mass) Λ 2 corrections (100 GeV) 2 0.01 (100 TeV) 2 0.01 (1 TeV) 2 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 ) DMの安定性? EW 観測量にたいするNew Physicsの寄与 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?
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 の素粒子と SM の素粒子を区別する対称性を持つ? ( 例 ) Z 2 symmetry SM(x) SM(X) and NP(x) -NP(x) NP SM NP SM NP SM (DM の SM 粒子への対消滅は Z 2 symmetry を破らない ) 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
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 = α 2 /m 2 With α ~ 0.1 and m ~ 1TeV = 1 pb Ω DM h 2 = 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 - 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 : Ω DM =0.11) Hierarchy 問題 WIMP dark matter ( 例 ) Neutralino in MSSM Heavy photon in LHT, 1 st KK photon in UED Anti-periodic f in GHU Neutrino 質量 Sterile (s) neutrino Strong CP 問題 Axion, Axino SUSY breaking Gravitino, messenger DM
暗黒物質の正体? - 正体解明にむけて - New Physics beyond SM 人工的に DM を作って調べる DM? 宇宙に存在する DM を使って調べる Collider experiments DM detection measurements
暗黒物質の探査 現在の宇宙における DM 分布 8kpc 220 km/s 太陽系
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 Dark Matter Halo 260kpc
暗黒物質の探査 現在の宇宙におけるDM分布 DM profile (銀河内におけるDM分布 の評価 N-body simulation Æ Universal Profile (fitting) ρ(r) = ρc (r/rc)-γ[1 + (r/rc)α]-(β-γ)/α α β γ NFW 1 3 1 Moore 1.5 3 1.5 King 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 天の川銀河 ( 銀河系 ) の DM profile Ex.) For NFW profile, ρ(r sun ) = 0.3 GeV/c.c. & r c = 20 kpc v c = 300 km/s = 10-3 c (Jean s equation, Maxwell-Boltzmann)
直接検出 Crystal 暗黒物質の探査 様々な暗黒物質検出探査法 間接検出 DM 対消滅 DM 崩壊 DM Ge, Xe, etc. 太陽系 SM 粒子達 (q, l, W, Z) γ, e ±, -p, ν 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
暗黒物質の探査 ( 間接検出 ) Energetic particles from DM DM (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 対消滅 崩壊 1pc 3 での反応回数 (m DM = 500 GeV, ρ(r) = 0.3 GeV/c.c.) は 10 23 回! (σv = 2 10-26 cm 3 s -1 or Γ = 6 10-30 s -1 ) W W e ν q q 宇宙年齢 = 137 億年 = 4.3 10 17 s π p γ
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 Diffusion 方程式 Static solution & f e = 0 at the surface of the zone. Signal flux k
暗黒物質の探査 ( 間接検出 ) Total Flux Annihilation or Decay channel の違い Hard ee μμττww(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 cm 3 /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!
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 Diffusion 方程式 Static solution & f p = 0 at the surface of the zone. Signal flux k
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? Gravitino Wino 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?)
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 DMからの光子 DM γ DM DM γ DM γ (DM) γ (DM) (DM) (DM) Hard CMB DM γ (DM) B Soft + 見る方向! ( 銀河中心 矮小銀河 Diffused 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!!!