ダークマター探索
伊藤 慎太郎 (KEK)1

Flavor Physics Workshop 2021

自己紹介
• これまでの研究- 2011年〜現在: PIENU実験 (TRIUMF)‣ 荷電パイ中間子の崩壊分岐比の精密測定‣ Dark sector探索など- 2016年〜2021年: Super-Kamiokande / SK-Gd実験‣ SK-Gdの推進‣ ニュートリノ解析など- 2021年4月よりBelle-II: ダークマター探索• 今日の話- ダークマターそのものについて- ダークマター探索実験 (Belle-IIにフォーカスしたものは昨年を参照)➡ Belle-IIにフォーカスせず、他の実験を例にして話します。
➡ 実験の人にも理論の人にも学部生の人にも分かるように話します。
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ダークマター(暗黒物質)とは？？？
• 光らない物質(光学的に観測できない)。
• 宇宙の1/4を占める(我々が観測できているのはたかだか約5%)。
• 質量をもつ(どのくらいなのかは分かっていない)。
• 電荷をもたない。
• 相互作用は非常に弱い(どのくらいなのかは分かっていない)。
• 安定している(長寿命)。
• 冷たい(飛び回っていない)。

いくつかの観測から、重力相互作用をする何かが存在することは示唆されているが、未だ観測できていない。
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宇宙の組成

ダークマター存在の証拠1• 初めてダークマターについて議論されたのは1933年 by F. Zwicky.
- 「かみの毛座銀河団内の銀河が、見える銀河の重力だけでは説明できない速度で運動している!!!」• 1970年代にV. Rubinらにより本格的に観測。
➡ 高速で回転するには強い引力が必要。

回転速度 (km/s)- 目に見える星だけでは足りない!!!
- 「目に見えない」何かがあるはず!!!

Vera Rubin

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観測結果

見えている物質からの予想銀河中心からの距離 (kpc)ダークマター存在の証拠2• 重力レンズ: 光が曲げられる。
- 手前の銀河により、遠方の銀河が円弧状に曲がって見える。
- 光学的観測による銀河の質量と曲がり方が合わない。
➡ 見えない重力相互作用をする何かがたくさんある。

5ダークマター存在の証拠3• 宇宙マイクロ波背景放射 (CMB: cosmic microwave background)➡ ざっくり言うと「宇宙最古の電磁波」- ビッグバン直後の宇宙は非常に高温。
- 宇宙の膨張とともに、温度が下がってきた。
- 電磁波が直進できるようになった。今も宇宙空間を満たし続けている。

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ダークマター存在の証拠3• 宇宙の膨張とともに波長が伸び、現在観測している宇宙マイクロ波背景放射の温度は〜2.7 K。

• NASAのCOBEやWMAP, ESAのPLANCKによる観測によって、温度に10万分の1℃の「ムラ」があることが分かっている。

• 温度のムラは物質の集まりの差を示す。
➡ 宇宙の進化や物質の組成などの情報。

7などなど、存在を示唆するものはたくさんあるが、未観測。

ダークマターの候補1 WIMP
• Weakly interacting massive particle.
➡ 超対称性粒子(ニュートラリーノなど、SUSY)が候補。

• 弱い相互作用のスケールの生成・対消滅断面積として残留粒子を見積もると、観測量と一致する(WIMPの奇跡)。

• ただ、今の所LHCやMEGなどで、SUSYは見つかっていない。

8ダークマターの候補2 Axion• Axionとは、強い相互作用におけるCP問題を解決するために導入された仮想粒子である。

• 標準理論の量子色力学(QCD)でのラグランジアンには、CP対称性を破る項が含まれている。
g2aμν
ℒ=θ
GG̃
aμν
232π
• この項は中性子の電気双極子モーメント(EDM)を生み出す。
−10➡ 実験により厳しい制限: θ ≲ 10

• Peccei & Quinn(PQ)対称性の導入(PRL 38 (1977) 1440)。
➡ PQ対称性が自発的に破れた時、この項が打ち消される。
➡ この時に現れる擬Nambu·Goldstonボソンがaxion。

S.Weinberg, PRL 40 (1978) 223 & F.Wilczek, PRL 40 (1978) 271
9ダークマターの候補2 Axion• QCD axionの質量maと崩壊定数fa: ma fa ∼ mπ fπ−6−310≲m≲
10eV。
Axionがダークマターなら、いくつかの観測から➡
a• Axion like particles (ALPs)➡ 質量と崩壊定数の制限をなくし、より自由度を増やしたもの。
➡ モデルは色々ある。

様々なaxion

F. Wilczek“I named them after a laundry detergent,since they clean up a problem.”10ダークマターの探索方法• 主に3つ。
1.間接探索: 暗黒物質同士が対消滅して出てきた信号(ガンマ線、電子、ニュートリノ)などを観測(衛星や望遠鏡など、今日は省略)。
2.直接探索: ダークマターが物に当たったのを観測する。
3.加速器: 粒子を作って崩壊させ、崩壊したものを測定する。
ダークマター原子核,電子
Planck衛星++π →e X
見えない11直接探索方法• ダークマターがXeに当たって発光する(先発信号、S1)。
• コンプトン散乱によって電子が発生し、電場で引っ張られて、Xeガスに当たって増幅する(後発信号、S2)。

• 光を上下のPMTで測定する。S1,S2でバックグラウンドと区別。
➡ あとは光るのを待つだけ？？？

• 参考にSuper-Kamiokandeでは、、、• 太陽ニュートリノは1秒間1cm2あたり、約660億個やってきている。

• これを5万トンの水タンクで測ると、、、➡ 1日当たり見えるのは20個くらい。。。

こりゃ大変。。。
XENON1Tを例に12

(余談ですが、)地下実験• ダークマターやニュートリノなどの直接探索実験は地下でやる。
- 宇宙線バックグラウンドを除去するため(地上だと手のひらに1個/秒)。
- SK: 高さ1000mの山の中にあるので、2個/秒/SKまで減らせる。
• 環境バックグラウンド(放射線不純物)を減らすことが鍵。
- keV~MeVレベルの反応が稀な事象を見るから。
- 我々の周りはウランやトリウムなどでいっぱい(もちろん人体には影響がないレベルであり、”地下実験視点”でいっぱいということ)。

- 検出器(水、キセノン、マテリアルなど)や空気中のラドンなど。
μ~1000m

13μダークマターの季節変動• 太陽系は秒速230 kmで運動している。
➡ ダークマターの海に向かっている。

• 地球は太陽の周りを公転しているので、季節によってダークマターに対する相対速度が変動する(6月Max. 12月Min.)。
➡ 季節によって検出数が変動する。

230 km/s

ダークマターの海14

ダークマターの観測？？？
• DAMA/NaI, DAMA/LIBRA実験@イタリア (EPJC 73 (2013) 2648)• NaIを用いたダークマター探索。
• 9.2σで季節変動が見えた!?

- ほんまかいな？？？
- 他のダークマター実験では一切観測されておらず、棄却されている。
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Solar Axion in XENON1T???
• AAA
• BBB
• CCC
• DDD
• EEE

16Solar Axion in XENON1T???
• (暗黒物質というわけではないが、)太陽内での反応により、アクシオンが大量に生成されている可能性がある(solar axion)。
➡ 大体数keVのレベル。

• XENON1Tでの観測 ⇒ 3σレベルの超過が見える？？？

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本当にSolar Axionなのか???
1.Solar axion: 3.4σ
2.ニュートリノの磁気モーメント: 3.2σ3.もしくは他の新物理？？？ ダークエネルギー？？？
4.理解できていないバックグラウンド？？？
トリチウム3H : 3.2σ 似たエネルギーの電子を出して崩壊する。

- 自然界に超微量に存在: Xe原子1025個に対して数個あれば説明できる。
• 今の所、これ以上の議論はできない。。。さらなる観測が必要。。。
• じゃあ、もっと感度を出すにはどうすればよいのか？？？
➡ 液体Xeの量を増やせばいい!!!
➡ XENON nT実験。
-Xeの量はXENON1Tの約3倍。コミッショニングラン。
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加速器実験
• よく用いられる方法の一例• とある親粒子(M)のleptonicな二体崩壊を観測する。

±±

M → ℓ νℓ- 二体崩壊なので、レプトン(ℓ)のエネルギーEℓは単一に決まる。
• 暗黒物質(Xとする)を伴った崩壊±±

M →ℓ X

見えない- 通常のleptonicな崩壊と比べて、エネルギーEℓは低くなる。
➡レプトンのエネルギーを精密に測定することで探索できる。

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加速器実験(PIENU実験を例に)++Counts/0.05 MeV

π → e νH

+π → μ νH

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Data
Sum of backgrounds
Gaussian function
π+→µ+νγ

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Counts/0.05 MeV+

4101036050403020100 1.2

Data|U |2=1.5×10-5 at Tµ=2.0 MeVµi

1.41.61.822.22.42.62102.833.2Tµ (MeV)

1010.5

Phys. Rev. D 97, 072012 (2018)

11.5

22.5

33.5

44.55Tµ (MeV)

Phys. Lett. B 798, 134980 (2019)+中間子のleptonicな二体崩壊のπ + → ℓ ±ν 探索(ヘビーニュートリノ)
πH•• メインピーク(Ee = 69.8 MeV, Tμ = 4.1 MeV)よりも低いところで信号によるピークを探索。
➡残念ながら、統計的に有意な信号は見つからなかった。

• 同様にτ → ℓXも arXiv:2106.02451 にて議論している。
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まとめ• ダークマターとは目に見えない重力相互作用をするもの。
• 数々の観測事実より、何かがあることはわかっているが、直接観測はいまだにできていない。

• ダークマター探索には様々な方法がある。
➡ 直接観測、間接観測、加速器など。

• XENON1Tにて、solar axionの兆候を観測？？？
➡ XENONnTでより高感度の観測へ。

• 様々な加速器実験でも鋭意探索中。

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バックアップ2223ウラン系列、トリウム系列

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XENON1T• Solar axion- 電磁場と光子の反応。
• ニュートリノ磁気モーメント- 標準理論ではニュートリノは質量0で、磁気モーメントをもたない。
- ニュートリノ振動の観測により、実際は質量をもつ。
ニュートリノ振動を考慮してもμν ∼ 10−20- 標準理論を超えた物理だと、これよりも大きくなる。
➡ 磁気モーメントが大きいと、低エネルギー領域での物質との反応断面積が大きくなる。

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