暗黒物質理論
Koichi Hamaguchi (University of Tokyo)
ダークマターの懇談会2019@Waseda Univ., 2019.07.05

依頼内容•「暗黒物質理論」というタイトルで講演してほしい.
• 数名の理論屋に同じお題で準備してもらう予定.
(内容がかぶったらそれはそれで重要であると).
• 無茶な企画だが、頼む.

先日たまたまこの３人が顔を合わせたがみんなこの研究会の話題は避けていた。

高橋さんの axion DM は別枠？明日のセッションもあるし、、（松本さんはタイトルビミョーに変えたらしい？）

このトークの目標

・いくつかのDM候補たちの簡単なレビュー
・中性子星とWIMP DMの研究の紹介
based on K.Yanagi, N.Nagata, KH,
1904.04667, 1905.02991.

このトークの目標

・いくつかのDM候補たちの簡単なレビュー
・中性子星とWIMP DMの研究の紹介
based on K.Yanagi, N.Nagata, KH,
1904.04667, 1905.02991.

個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Mattertheiclerlamr「副産物」DM個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Mattertheiclerlamr

WIMP「副産物」DM個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Matterthe「副iclerlamr

SUSY

WIMP
neutralino

産物」DM個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Matter「副cilerlamreth

産物

SUSY

WIMP
neutralino
straxion

ongCP」DM

個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Matter「副cilerlamreth

産物」DM

SUSY

WIMP

gravitino/axinoneutralinostronaxion

gCP個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Matter「副cilerlamrethgravitino/axino

neutralino

stronaxion

SIMP
FIMP」DM

SUSY

WIMP

sub-GeV

産物

PBH

ADM

gCP

ALPs

個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Matterthe「副iclerlamr

SUSYPMIW
neutralino

産物」DM

1.

WIMP (= Weakly-Interacting Massive Particle)
電荷ゼロ、カラーもなし。
安定。
だいたい weak scale mass, 𝒪(10 GeV) − 𝒪(1 TeV).
だいたい weak interaction くらいの相互作用。

1.

WIMP (= Weakly-Interacting Massive Particle)

WIMP 最大の魅力 = シンプルな生成機構, thermal relic シナリオ.

① 熱かった → ② 冷えた → ③ 今に至る
他の粒子たちと熱平衡

熱平衡から外れる

あとは宇宙膨張に従うだけ

DMの数 (comoving)①ΩDM ∼ 0.1②
熱平衡値③( ⟨σannihilationv⟩ )1 pb

weak scale mass,weak scale interaction
でちょうど良い。“WIMP miracle”

mDM /T (時間）1.

WIMP (= Weakly-Interacting Massive Particle)

この辺りのストーリ
松本さー、んのトークも参考かぶっにしててたらます。
ゴメンなさい。

WIMP 最大の魅力 = シンプルな生成機構, thermal relic シナリオ.

① 熱かった → ② 冷えた → ③ 今に至る
他の粒子たちと熱平衡熱平衡から外れる

あとは宇宙膨張に従うだけ

1.

WIMP (= Weakly-Interacting Massive Particle)

WIMP 最大の魅力 = シンプルな生成機構, thermal relic シナリオ.

① 熱かった → ② 冷えた → ③ 今に至る
他の粒子たちと熱平衡熱平衡から外れる

あとは宇宙膨張に従うだけ

例１：CMB① T > 3000 K → ② T ∼ 3000 K →③ 2.7K CMB

1.

WIMP (= Weakly-Interacting Massive Particle)

WIMP 最大の魅力 = シンプルな生成機構, thermal relic シナリオ.

① 熱かった → ② 冷えた → ③ 今に至る
他の粒子たちと熱平衡熱平衡から外れる

あとは宇宙膨張に従うだけ

例２：BBN① T ≫ 1 MeV → ② T ∼ 1 MeV →ﬁg. from 1011.1054③ 現在

ﬁg. from PDG

1.

WIMP (= Weakly-Interacting Massive Particle)

WIMP 最大の魅力 = シンプルな生成機構, thermal relic シナリオ.

① 熱かった → ② 冷えた → ③ 今に至る
他の粒子たちと熱平衡

熱平衡から外れる

あとは宇宙膨張に従うだけ

例３：CνB① T ≫ 1 MeV → ② T ∼ 1 MeV →BBN と同じ頃に
ν も decouple③ 現在

1.9 K の CνB がいるはず。
いつか観測出来るかも？

1.

WIMP (= Weakly-Interacting Massive Particle)

WIMP 最大の魅力 = シンプルな生成機構, thermal relic シナリオ.

① 熱かった → ② 冷えた → ③ 今に至る
他の粒子たちと熱平衡

熱平衡から外れる

あとは宇宙膨張に従うだけ例４になるか?：WIMP DM !!!

DMの数 (comoving)①ΩDM ∼ 0.1②
熱平衡値

( ⟨σannihilationv⟩ )1 pb③mDM /T (時間）1.

しかも検証可能！
WIMP (= Weakly-Interacting Massive Particle)
DM

DM

WIMP 最大の魅力 = シンプルな生成機構, thermal relic シナリオ.
間接コライダー① 熱かった → ② 冷えたSM→ ③ 今に至る
他の粒子たちと熱平衡熱平衡から外れる

SM
あとは宇宙膨張に従うだけ

直接

例４になるか?：WIMP DM !!!

DMの数 (comoving)①ΩDM ∼ 0.1②
熱平衡値

( ⟨σannihilationv⟩ )1 pb③mDM /T (時間）

個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Matterthe「副iclerlamr

SUSYPMIW
neutralino

産物」DM個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Matterthe「副iclerlamr

産物

SUSYPMIW
neutralino」DM

しかも slepton と協力してmuon g-2 まで説明してしまうかも。

Dark
MattertheEndo, KH, Iwamoto, Yanagi, 1704.05287「副iclerlamr

産物SUSYPMIW
neutralino」DM

個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Matter「副cilerlamreth

産物

SUSY

WIMP
neutralino
straxion

ongCP」DM

個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Matter「副cilerlamreth

産物

」DM

SUSY

WIMP
neutralino

高橋さん
ongC
Pのトーク+ 明日

straxion個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
ああああ
3. gravitino/axino
T > fa かつ NDM = 1 の場合は4. ADM, PBH
初期条件によらずに DM 密度が決まるので
5. sub-GeV, ALPs
ある意味 “thermal relic” と言えるかもDark
Matter「副cilerlamreth産物」DM

SUSY

WIMP
neutralino

高橋さんongC
Pのトーク+ 明日straxion

個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Matter「副cilerlamreth産物」DM

SUSY

WIMP

gravitino/axino

neutralino

stronaxiongCPgravitino
neutralino
keV

MeV

GeV

TeV

PeV

minimal な SUSY で DM の候補は２択.
→ log scale で見ると、gravitino の方がパラメータがずっと広い！
thermal relic にならないけど、生成機構も色々あり。
(reheating, moduli decay, inﬂaton decay, NLSP decay……)
直接生成は難しいけど、NLSP 次第では検証可能かも。
NLSP が charged なら Long-Lived Charged Particle.
100 TeV pp collider で 4 TeV stau まで見える. [J. L. Feng, S. Iwamoto, Y. Shadmi, S. Tarem, ʼ15]
さらに gravitino への late-time 崩壊が見えれば Supergravity のチェックも？
[Buchmuller, KH, Ratz, Yanagida,ʼ04.]

個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

DarkMatter「副cilerlamreth産物」DM

SUSY

WIMP

gravitino/axino

neutralinostronaxion

gCP

sub-GeVPBH

ADMALPs

個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
Asymmetric Dark Matter
3. gravitino/axino(伊部さんのトーク＠3月仙台研究会がオススメです。)
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Matterア「副cilerlamreth」DM

SUSY

WIMP

gravitino/axino

neutralino

明日の郡さんsub-GeVのトーク

産物stronaxion

PBH

ADMgCPALPs個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH・・・ただし模型／シナリオがややこしくなりがち
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Matter「副cilerlamreth

産物」DM

SUSY

WIMP

gravitino/axino

neutralinostronaxion

gCP

sub-GeV

PBH

ADM

ALPs

個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs・・・パラメータの拡張. (可能性を考えるのは重要だと思います）

Dark
Matter「副cilerlamreth

産物」DM

SUSY

thermal relicWIMP
ではないけど、、、

gravitino/axino
strong CP はneutralino

解けないけど、、、
stronaxion

sub-GeV
PBH

ADM

gCPALPs

個人的な DM ランキング (2019 ver.)
1. WIMP2. axion
3. gravitino/axino
4. ADM, PBH
5. sub-GeV, ALPs

Dark
Matterthe「副iclerlamr

産物」DM

SUSY

P
M
I
W

gravitino/axino

neutralino

str
on

axion

gC

P

sub-GeV
PBH

ADM

ALPs

個人的な DM ランキング (2019 あらゆる手段で探索することが重要ver.)
1. WIMP
DMDM
2. axion
3. gravitino/axino
コライダー
間接
4. ADM, PBH
SMSM
5. sub-GeV, ALPs
直接DarkMatterthe「副iclerlamr

産物」DMSUSYPMIW

gravitino/axino

neutralinostronaxion

gCP

sub-GeV
PBH

ADM

ALPsこのトークの目標

・いくつかのDM候補たちの簡単なレビュー
・中性子星とWIMP DMの研究の紹介
based on K.Yanagi, N.Nagata, KH,
1904.04667, 1905.02991.

Dark Matter Heating vs. Rotochemical Heating in Old Neutron Stars
K. Yanagi, N. Nagata, KH, [1905.02991 + 1904.04667]

あらすじ
1. WIMP DM は中性子星に当たって、内部で対消滅する。

DM χ

capture rate ≃ 1for σχN ≳ 10−45cm2に速bmax ∼ 800 R

光ぼほR ≃ 10 km

対消滅χχ → f f¯

中性子星
単位時間あたりのエネルギー流入
2L WIMP→NS ∼ πbmax
ρχ vχ ≃ 3 × 1022erg/s(DM mass に依らない)→ 中性子星を暖める！

[ C. Kouvaris,0708.2362 ]Dark Matter Heating vs. Rotochemical Heating in Old Neutron Stars
K. Yanagi, N. Nagata, KH, [1905.02991 + 1904.04667]

あらすじ
1. WIMP DM は中性子星に当たって、内部で対消滅する。
2. 古い中性子星の温度を測れば DM の兆候が見えるのでは？

Fig. by K.Yanagi.

DM あり
DM なし

T ≃ 3000K

T < 3000K

C. Kouvaris 0708.2362, Baryakhtar+ 1704.01577, 他にも最近関連論文増えてます。

Dark Matter Heating vs. Rotochemical Heating in Old Neutron Stars
K. Yanagi, N. Nagata, KH, [1905.02991 + 1904.04667]

あらすじ
1. WIMP DM は中性子星に当たって、内部で対消滅する。
2. 古い中性子星の温度を測れば DM の兆候が見えるのでは？

3.しかし！

Dark Matter Heating vs. Rotochemical Heating in Old Neutron Stars
K. Yanagi, N. Nagata, KH, [1905.02991 + 1904.04667]

あらすじ
1. WIMP DM は中性子星に当たって、内部で対消滅する。
2. 古い中性子星の温度を測れば DM の兆候が見えるのでは？

3.しかし！古くて暖かい (T ≫ 3000K ) 中性子星が見つかっている。

温度低めのやつもいる。
(ばらつきがある。）

Dark Matter Heating vs. Rotochemical Heating in Old Neutron Stars
K. Yanagi, N. Nagata, KH, [1905.02991 + 1904.04667]

あらすじ
1. WIMP DM は中性子星に当たって、内部で対消滅する。
2. 古い中性子星の温度を測れば DM の兆候が見えるのでは？

3.しかし！古くて暖かい (T ≫ 3000K ) 中性子星が見つかっている。
しかも中性子星に内在する “rotochemical heating” でそれらが説明出来る。

Ordinary pulsar

Millisecond pulsar

温度低めのやつもいる。
(ばらつきがある。）
Reisengger,ʼ94, Haensel,ʼ92, Gourgoulhon, Haensel,ʼ93,
Fernandez, Reisenegger,ʼ05,…… Yanagi, Nagata, KH, 1904.04667

Dark Matter Heating vs. Rotochemical Heating in Old Neutron Stars
K. Yanagi, N. Nagata, KH, [1905.02991 + 1904.04667]

あらすじ
1. WIMP DM は中性子星に当たって、内部で対消滅する。
2. 古い中性子星の温度を測れば DM の兆候が見えるのでは？

3.しかし！古くて暖かい (T ≫ 3000K ) 中性子星が見つかっている。
しかも中性子星に内在する “rotochemical heating” でそれらが説明出来る。

4. DM heating は見えるのか？
見えるとしたらその条件は？・・・これを調べた。

Dark Matter Heating vs. Rotochemical Heating in Old Neutron Stars
K. Yanagi, N. Nagata, KH, [1905.02991 + 1904.04667]

あらすじ
1. WIMP DM は中性子星に当たって、内部で対消滅する。
2. 古い中性子星の温度を測れば DM の兆候が見えるのでは？

3.しかし！古くて暖かい (T ≫ 3000K ) 中性子星が見つかっている。
しかも中性子星に内在する “rotochemical heating” でそれらが説明出来る。

4. DM heating は見えるのか？
見えるとしたらその条件は？・・・これを調べた。

非平衡化学ポテンシャル

Dark Matter Heating vs. Rotochemical Heating in Old Neutron Stars
K. Yanagi, N. Nagata, KH, [1905.02991 + 1904.04667]

あらすじ
1. WIMP DM は中性子星に当たって、内部で対消滅する。
2. 古い中性子星の温度を測れば DM の兆候が見えるのでは？

3.しかし！古くて暖かい (T ≫ 3000K ) 中性子星が見つかっている。
しかも中性子星に内在する “rotochemical heating” でそれらが説明出来る。

4. DM heating は見えるのか？
見えるとしたらその条件は？・・・これを調べた。

非平衡化学ポテンシャル

Dark Matter Heating vs. Rotochemical Heating in Old Neutron Stars
K. Yanagi, N. Nagata, KH, [1905.02991 + 1904.04667]

結果

初期の回転周期 P0 が短いとDM heating の効果は隠れてしまうが、P0 が長ければ DM heating の効果が見える。
∼ 3000K中性子の超流動 gap model 依存性
陽子の超電導 gap model 依存性

逆に T < 2000K の中性子星が見つかれば、多くの DM を exclude.
∼ 3000K（Wino DM とかも inelastic scattering でつかまるので exclude されてしまう。）

まとめ
・いくつかのDM候補たちの簡単なレビュー

・中性子星とWIMP DMの研究の紹介
based on K.Yanagi, N.Nagata, KH,
1904.04667, 1905.02991.

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