DIMS実験
高速飛翔するマクロ暗黒物質と流星の探索（甲南大理工）梶野文義, 井手隆心, 荒堀瑞穂,多田沙知子, 灘本薫（大阪電通大工） 多米田裕一郎, 岩見祐吾
（Torino U., Italy） M. Bertaina, S. Valenti, D. Barghini（NCBJ, Poland） 篠崎健児（理研）

M. Casolino, 戎崎俊一, 滝澤慶之, L. Piotrowski, 津野克彦

（東大宇宙線研） 佐川宏行
（U. Utah, USA）

J. N. Matthews（INAF, Italy)

A. Cellino（日大理工）阿部新助（SKKU, Korea）

I. H. Park（KASS, Korea）

S. W. Kim

（Case Western Res. U., USA） G. Starkman, J. S. Sidhu
DIMS Collaboration
ダークマターの懇談会2020 online
2020年9月8日1

研究目的• マクロ暗黒物質の候補のNucleariteの探索• 流星、特に太陽系外起源の流星の観測• その他の大気発光現象の観測• EUSO-TA（ユタTA実験サイト）やMini-EUSO（ISS）との共同観測

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Dark Matter Candidates• Weakly Interacting Massive Particles(WIMPs)• Axions• Primordial Black Holes• Exotic Candidates
WIMPzillas, gravitinos, gluinos
Q-balls, Q-nuggets, SIMPS
Fermi Balls, EW Balls and GUT Balls
New Class of Dark Matter Objects
Mirror Dark Matter …

Popularcandidates

Many othercandidates

K. Arun et al. arXiv 1704.06155

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DMの断面積は小さい必要性はあるのか？
Interaction Rates of DMGravitational Observations fix
Galactic Dynamics fix
What’s left isDM can be small
and very smallor large
and not so small: ordinary case
: Macro DM

Dark matter doesn’t have to interact weakly
if it’s very massive. → Macro Dark Matter
Ref: Macroscopic Dark Matter, G. Starkman, 2019https://kicp-workshops.uchicago.edu/2019-COSMIC/program.php

4Strange Quark Matter と Nucleariteud udu d ddu u du d u du u
d d u dd udduudud duu uddu dd中性子u ud uud陽子
通常の原子核Quark 3個の組み合わせからなる陽子や中性子の集合体

d us d s dd u d su u sdsu s s sud uddsu d u d ss uud susu d u d usds u d sStrange Quark Matter (SQM)
および Strangeletu, d, s quark がほぼ同数からなる
quark の集合体
E. Witten 1984

Nuclearite はSQMの周りが電子で覆われた電気的に中性な塊である。
A. De Rujula & S. L. Glashow, 19845

Nuclearite
SQMe-e-e-e-nucleus

SQMe-

RH=5*104 fm

R=103 fm

R=104 fm

H atom

R=105 fm

Nuclearites

RN=10 km(Neutron star)• Nuclearite の大きさは原子核程度のものから中性子星程度のものまで様々あり、SQMのサイズが大きくなると電子がSQM内部に入ってくる。
• マクロ暗黒物質の一候補。
• 中性子星については理論的に様々な形態が提案されている。
• いくつかの中性子星はquark星の可能性があると指摘されている。
• Nuclearite は宇宙初期や中性子星同士の衝突でできる可能性がある。
• これまでに、加速器による生成実験や、自然界にSQMやNuclearite が存在しているかどうかの実験が行われてきた。地震計による探索など。
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太陽系外起源の流星体（星間粒子 ）ULYSSESやGALILEOの衛星観測によると、局所的な星間雲に由来するISPが太陽圏を通って流れていて、約3 AUの外側のISPフラックスは、惑星間粒子のフラックスを上回っている。
10-11 kgより大きい質量の流星体
はレーダー、ビデオ、写真など多くの方法で観測されてきているが、そのフラックスは軌道の決定精度などの問題で多くの議論がある。

フラックス

これまでに各種の検出器によって、星間粒子(ISP)が観測されてきている。

流星体質量
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Nucleariteと流星の発光の違い
Nuclearite
大気中を高速で通過すると、大気中の分子や原子と弾性散乱または準弾性散乱し、大気が高温になり発光する。
平均速度 ⅴN 〜220 km/s

流星

Meteor20~50 km/s

流星物質が高温で蒸発してプラズマ化したガスが発光する。
流星の発光高度~100 km• 太陽系内に束縛されている流星軌道：楕円軌道,• 太陽系外起源の流星100km

速度< 72 km/s

軌道：双曲線軌道,

速度 ＞ 72 km/s

地球の公転速度：30 km/s

30 km (1 g)
55 km (104 g)

Nuclearite~220 km/s

地球公転軌道での太陽系からの脱出速度：42 km/s

Nuclearite と流星は発光高度と速度が違うので容易に区別できる。

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DIMS Observation Concept
TLE’s(transient luminous events)

Meteor observationzone〜100kmNuclearite
search zone
〜30km

Observation Instrument

Earth surface

9Test of Observation System
HDMI Cable

Video USB Cable
CaptureModulePC
Windows 10UFOCapture

UFO Capture:
motion capture
softwareCanon ME20F-SH
Monochrome typeISO sensitivity 204,800 wasused for the observation.

Observation at TA-BRM
Aug. 31, 201910

これまでの観測期間と観測サイト• Jan. 1st -4th, 2017
• Okamoto and Miki, Hyogo, Japan• Aug. 20th -Sept. 1st, 2017
• Telescope Array site Utah, USA• Dec. 25th -28th, 2017
• Ishigaki, Okinawa, Japan• Sept. 7th -11th, 2018
• Telescope Array site, Utah
TA site @ Utah

• Aug. 28th –Sept. 1st, 2019
• Telescope Array site, Utah
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これまでの観測サマリ（2017-2019）
Obs. period
Jan
2017

FeatureStereo obs.
at Okamoto and Miki

ISO
Number ofsensitivity meteors~46
13

shower from
Quadrantids
sporadiccoincident

329

sporadic318

sporadic~2000

sporadic

3840

sporadic~34
102,400

Aug – Sept
Single camera
51,200 ~2017
at TA site409,600
Dec
3 types of cameras
204,8002017
at Ishigaki, Okinawa
Sept
Stereo obs. by 3 cameras
204,8002018
at TA site
Stereo obs.
Septby 2 cameras
204,8002019
at TA siteMeteor Type

これまで、カメラやレンズの種類、設定条件、観測場所などを変えながら最適な観測システムと観測場所を探してきた。

12

TAサイトにおける観測と調査
2019年8月28日～9月1日（4夜）
2台の高感度CMOSカメラを観測候補地に設置して流星を観測

Candidate camera position

CLF
CLF

CLF

Hinckley
Hinckley

BRM

BRM
13

Image Examples of Many Meteors and Satellites

We actually record movie file in avi format to obtain the velocity.

14Composite photo taken at BRM, Utah
N2 camera, detect size = 2, IR = on
4th night: 8/31 22:30 - 9/1 5:00 MDT, 2019 (6h 30min)

Over 500 meteors were taken in this picture.

15

Simultaneous Events
4th night: 8/31 22:29 – 9/1 5:00 MDT, 2019 (6h 31min)
N2, BRM
N1, Hinckley
６111
4

7
Number of the simultaneous events were obtained to be 375 in this night. 16

Observed Number of Meteors
Aug. 29th – Sep. 1 UTC, 2019 (4 nights)
600

900
800

N1

Observation Time (min)Number of Meteor Events

1000
N2700
600
500
400
300
200

500

N1N2400
300
200
100

100
00
08/29

08/30

08/31

09/01

08/29

08/31

09/01

Date (UTC)

Date (UTC)

N1:1733 events
N2:2107 events
N1+N2: 3840 events

08/30

N1:
N2:

1129 min = 18.8 h
1288 min = 21.5 h
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流星の観測領域（高度100km）

100 km18Stereo Reconstructed Meteor Tracks
Aug. 2019 data

Bad precision
eventsBy K. Shinozaki (NCBJ, Poland)— 2-4 mag
— 4-6 mag— 6- mag19

Camera Station

Fan &Heater

Arduino &Raspberry Pi

PC

HDD
12TB x 2

Camera is mounted on a altazimuth
mount and is controlled remotely.
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Configuration of Camera Stations
MD
今後、米国ユタTAサイトに4台の高感度カメラシステムを設置して、連続観測を行う予定。
△CRC

★
★

CLFTARAHinckley

BRM

3台のカメラは北極星方向を向ける。
4台目はNucleariteの観測に最適になるように観測方向を検討中。

Constraints on Macro Dark Matter-14

SLIM (プラスチック飛跡検出器を用いた実験）-15(cm-2 s-1 sr-1)

MACRO（シンチレータを用いた実験）-16-17log10F-18

雲母を用いた実験-19-20-21-2-1

01log10M (g)234Macroscopic dark matter constraints from bolide
camera networks
Jagjit Singh Sidhu and Glenn Starkman
PHYSICAL REVIEW D 100, 123008 (2019)

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まとめ
• これまでに高感度CMOSカメラで多くの流星を動画で観測できるシステムを試験してきた。
• 流星は4-6等程度まで動画で観測できることが分かった。
• Macro Dark Matter や太陽系外流星の探索のためのDIMS (Dark Matter and Interstellar Meteoroid Study)
Project を開始した。
• 2021年初めに4台のカメラボックスをユタに設置して連続観測を始める予定である。

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