WIMP暗黒物質

Satoshi Shirai (Kavli IPMU)

暗黒物質に必要なこと
●

とても安定

●

相互作用は十分に弱い●

初期宇宙で適切な生成メカニズム

●

冷たい2

粒子の寿命崩壊率

典型的には寿命 = 1/崩壊率
普通はとても短命なように思える3

長生きするために長生き粒子は何か特殊なことを意味している

限られたチャンネル： 何らかの対称性
弱い結合：近似的な対称性や高エネルギーの物理起源
小さな質量次元: 軽い
Axion Dark Matter4標準模型の場合

5安定粒子
何らかの対称性をもっている

保存則

• 陽子
●

バリオン数を持つ中で最も軽い• 電子●

QED電荷を持つ中で最も軽い• ニュートリノ●
フェルミオン数、レプトン数を持つ中で最も軽い

6

暗黒物質の場合
何らかの対称性を課す

安定な粒子

7

暗黒物質の場合
何らかの対称性を課す

安定な粒子

8

重力と対称性
ブラックホールは質量, スピン and 電荷 のみで特徴づけられる
その他のグローバルチャージは存在しない,
e.g., baryon number.

量子力学で経路積分を考えると、ブラックホールの配位も含まれる

グローバルチャージの情報損失
9重力と対称性: 帰結1?
●

破れの大きさは不明.

●

Naive guess: Planck suppressed operators.

●

陽子はGUTがなくても崩壊する.

current limit 1034 y

10

重力と対称性: 帰結2?
●破れの大きさは不明.

●

Naive guess: Planck suppressed operators.

●

ニュートリノは Majorana or psudo-Dirac.

11重力と対称性: 帰結3?
●

破れの大きさは不明.

●

Naive guess: Planck suppressed operators.

●

暗黒物質は不安定？

12

Axion模型での困難
Strong CP problem
CP violation parameter が 10-9 より小さい

Peccei-Quinn (PQ) mechanism: Axion solves everything
Requirement: 非常に厳密なGlobal Symmetry (PQ対称性)

PQ breaking terms13対称性と素粒子模型
暗黒物質やaxionなどの新物理にはglobal symmetryはとても重要

量子重力からの制限のもと、いかにクオリティの高い対称性を実現するか

14

暗黒物質の条件
●

とても安定

●

相互作用は十分に弱い●

初期宇宙で適切な生成メカニズム

●

冷たい15

WIMP Dark Matter
Weakly Interacting Massive Particle
DM abundance
DM

SM

DM

SM

500 GeV DMTime
16

WIMP Dark Matter
異なる初期状態

17

WIMP Miracle
熱的残存量(thermal relic density)の近似式

だとちょうどよい量

18

WIMPの良い所●

様々な新物理模型(BSM)に勝手に入っている。

●

色々なテストの仕方がある。

●

存在量が宇宙の初期状態に依存しない (例外はある)●

加速器実験などでDMの強いテストができる。(存在量の再構成など)

19WIMPの検出
CTA (Cherenkov Telescope Array)
対消滅 (宇宙線、CMB、BBNなどによる間接検出)
DMSM
散乱(直接検出)DM

SM

PANDAX, XENONnT

生成(加速器実験)
LHC, ILC
20

さらに間接的検出

SM

DM DM

SM

SM

DM DM

SM

21

さらに間接的検出
DM
SM

SM

SM

SM
(Virtual) DMの効果

精密測定

電弱精密測定, フレーバ, CP...
22

色んな模型の色んなWIMP
●Bino

●Wino

●

Higgsino●

KK photon●

T-odd Photon●

Technibaryon●

Minimal 5plet fermion●

Minimal singlet scalar●

Minimal 7plet scalar

●

…

23

Minimal WIMP Model
WIMP: Weakly Interacting Massive Particle

24

Minimal WIMP Model
WIMP: Weakly Interacting Massive Particle
SMゲージ相互作用
EWIMP: ElectoWeakly Interacting Massive Particle

Minimal Dark Matter (MDM)
25

Minimal Dark Matterの特徴Fermionの場合
●

強い予言性

●

Collider, direct detection, indirect detectionどれも重要●

非摂動効果や束縛状態の効果が重要で理論的にも面白い

Scalarの場合はHiggs粒子と未知の結合を含む

この結合は一般には直接検出などで制限される
26

Gauge interacting DM
DM’s nature depends on SU(2)xU(1) charge
SU(2)
U(1)

n1

2

3

45

Y
0Cwino
C

C

1/2

C

higgsino

1C

C

3/2

CCC

2CCCC…

CCCC5pletCCCC

27

MDMとゲージ結合
g3g2g128

MDMとゲージ結合
g3
g2

7plet
結合定数が発散

5plet

3plet

g129

Gauge interacting DM
DM’s nature depends on SU(2)xU(1) charge

blow-up

SU(2)U(1)n12345Y0Cwino
CC

1/2Chiggsino

1CC

3/2

CCC

2CC

C

C…

CC

CC

5plet
CCC
C

Disfavored via precision measurement and direct detection
Nagata & SS 1411.0752

30

Wino Property• Majorana fermion• Hypercharge Y=0• SU(2)L triplet• Mass < 3 TeV[Hisano, Matsumoto, Nagai, Saito & Senami, 06]
31Why Wino.
Randall & Sundrum ’98
Giudice, Luty, Murayama & Rattazzi ’98●

SUSY modelに入っている●

R-parityはクオリティの高い対称性●

anomaly mediation modelの自然な予言●●

Most minimal dark matter.
●●

質量だけがfree parameter.

Direct/indirect DM探査が非常に有効.
●●

SUSY models consistent with flavor/CP, Higgs mass and GUT.

１０年程度で全領域がカバーできるはず

Rich signature at LHC.
32

Higgsino Dark Matter
Higgsino is(pseudo)Dirac fermionHypercharge |Y|=1/2

SU(2)doublet<1 TeV33

5plet DM

Majorana fermionHypercharge Y=0

SU(2) 5plet<10 TeV?
34

5plet Nature?
●

Cirelli, Fornengo & Strumia 06

対称性なしに勝手に安定になる●
高い量子数のおかげで崩壊するのに時間がかかる●
対称性がないので有限時間の寿命を持っている可能性がある結合が非常に強いため、非摂動効果が顕著●
加速器でのシグナルも面白い●●

ただし、10 TeVの粒子を作るのはかなりしんどい

35

Minimal Dark Matterの検出
Minimal DMの電弱相互作用は十分強い(高エネルギーでは)作るのも簡単だし、物質との相互作用も大きい
生出さんのトーク
LHCでの生成断面積は大きい● 光速の数十パーセントのMDMと物質との相互作用の大きさはニュートリノ相互作用と同程度
浜口さんのトーク●36

Cross Section @ LHC
cross section [fb]higgsino

mass [GeV]
現在のLHCの積算ルミノシティは100 fb-1

100個以上の1 TeV DMは作られている
37

Collider Signals of DMp, e

DM

DM is invisible
p, e

DM

38

Collider Signals of DMp, e

DM

DM is invisible
p, e

DM

DMのcharged partnerをみる

39

荷電粒子の崩壊長
SU(2)
U(1)

n

1

2345C~5 cm

C~ 2 cm

Y
01/2

C~1 cm

C~ 1mm

C1C

C~1 mm

C

...

3/2

C

C

C~0.1mm

...

2C

C

C

C

...

…

C

C

C

C

…

40

加速器でのシグナル
p
荷電トラック+Missing energypO(1-10)cm

41

LHCでの制限

Wino 430 GeVまで排除

42

Winoの楽観的な展望• Trackerの向上• Energyの向上• 輝度の向上

3 TeVくらいまでいけるかも43

(In)direct MDM detection

44

Indirect Detection
AMS02 反陽子

Fermi ガンマ線

仮定：MDMが100%全ての暗黒物質量を占めている
45

Direct Detection46

Hisano, Ishiwata, Nagata & Takesako, 11

Direct Detection

pure Higgsino

5plet

Winoalmost
pure Higgsino
仮定：MDMが100%全ての暗黒物質量を占めている
47

Discussion• Direct / Indirect 探査は非常に強力●
CTAやDarwin実験は殆どのMDMをカバーできそう。
• 宇宙線のスペクトルや直接検出の反応レートからDMの質量や量子数の情報を得ることも出来る• ただし、astophysicalな不定性が非常に怖い• 暗黒物質の密度分布• 宇宙線の伝播モデル、バックグランドなど• またMDMが全暗黒物質を占める必要とは限らないことも留意• 典型的にはaxion DMも混ざったmixed DM シナリオ
• Direct/Indirectのreachはかなり下がる
48Outlook• 1 TeV Higgsino, 3 TeV wino, 10 TeV 5pletを現状のLHCで探るのは難しい●新しい観測量などアイディアが必要• Direct/Indirectの探査結果が将来の加速器計画に非常に重要●
High energy upgrate of LHC for Higgsino, Wino●
O(100) TeV Collider for 5plet• Astrophysical不定性を落とすための手法を開発• DM の観測量の理論計算誤差の軽減●
現状だと、暗黒物質の残存量や断面積にかなりの不定性が存在49