宇宙線直接観測と暗黒物質の間接探索
2019年7月6日 @ダークマターの懇談会2019
早稲田大学理工学術院・総合研究所 浅岡陽一

1

Room for “unknown” unknowns• There are known knowns; there are things we know we know.

• We also know there are known unknowns; that is to say weknow there are some things we do not know.

• But there are also unknown unknowns—the ones we don't
know we don't know.

quote from Rumsfeld in 2002, but the original idea was createdby Joseph Luft (1916–2014) and Harrington Ingham (1916–1995)
ダークマターの懇談会 2019 浅岡陽一

2

Room for “unknown” unknowns• There are known knowns; there are things we know we know.

⇒ Experimental Results• We also know there are known unknowns; that is to say weknow there are some things we do not know.

⇒ Statistical & Systematic Errors• But there are also unknown unknowns—the ones we don't
know we don't know.

⇒ Unaccounted Systematic Errors
quote from Rumsfeld in 2002, but the original idea was createdby Joseph Luft (1916–2014) and Harrington Ingham (1916–1995)
ダークマターの懇談会 2019 浅岡陽一

3

Room for “unknown” unknowns• There are known knowns; there are things we know we know.

⇒ Experimental Results• We also know there are known unknowns; that is to say weknow there are some things we do not know.

⇒ Statistical & Systematic Errors• But there are also unknown unknowns—the ones we don't
know we don't know.

⇒ Unaccounted Systematic Errors
quote from Rumsfeld in 2002, but the original idea was createdby Joseph Luft (1916–2014) and Harrington Ingham (1916–1995)

unknown knowns = Dark Matter
ダークマターの懇談会 2019 浅岡陽一

4

WIMPパラダイム
宇宙論・宇宙物理学• 多数の観測・高精度化⇒ 統一的描像• 通常物質に暗黒物質の候補存在せず

弱い相互作用をする未知の
重い素粒子“WIMP”

WIMP: Weakly Interacting
Massive Particle (wimp = 弱虫)
素粒子物理学標準模型を超える新物理への要請

数々の新粒子 ⇒ 安定な粒子

熱平衡状態からの分離・凍結⇒ 初期宇宙からの残存“粒子”暗黒物質• 熱平衡状態からの分離は初期宇宙の基本的プロセス (ニュートリノ・光)• 「弱い相互作用」の絶妙な強さ⇒ 現在の暗黒物質残存量とぴったり• 全てをこれ以上なくシンプルに説明(オッカムの剃刀)• 超対称性• 余剰次元

反応確率∝対消滅断面積
×速度

熱平衡状態
対生成・
対消滅が
バランス

“WIMP Miracle”
奇跡に見えるのは物理(必然)だからでしょう
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質量/温度

5

“粒子”暗黒物質の探索
WIMP発見 = (1) 暗黒物質の正体究明(2) 宇宙創成直後(10-10~14秒)の観測、(3) 素粒子標準モデルを超える新物理の発見！
対生成
加速器

通常粒子

q,l,..

散乱
直接探索

暗黒物質

暗黒物質

対消滅
間接探索

q,l,..
通常粒子• 3つの手法がありそれぞれが相補的• 世紀の大発見を目指し熾烈な競争– 多種の直接探索実験• 加速器では消えた質量による検出が必要となり困難– モデル依存大• 間接探索は暗黒物質
残存の条件を“直に”プローブ可能暗黒物質残存の条件
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6

間接探索：ガンマ線＋荷電粒子 (反粒子)• 特徴：初期宇宙における熱的残存条件を直接探査– 暗黒物質密度と合致する対消滅頻度 ⇒ <σv>～ 3 x 10-26 cm3/s– 2系統の生成物：ハドロンチャンネル・レプトンチャンネル• 困難：銀河宇宙線(+二次生成物) がバックグラウンド、不定性大• 例：ガンマ線、陽電子、反陽子、他の宇宙線– ガンマ線：大きな質量を探索 (銀河中心、矮小楕円体銀河の重合)– 反粒子：低バックグラウンド
Fermi-LATの制限

ハドロン化の過程で生成されるガンマ線の連続成分を用いて制限。質量が大き
く静かなドワーフ銀河からのガンマ線をスタックして解析。
注: J-Factorの見積に不定性

AMS-02 反陽子測定からの制限
暗黒物質がクォーク対に対消滅し、そのハドロン化によって生成される反陽子流束の期待値を用いて制限
Cuoco, Kramer, Korsmeier
PRL 118(2017)191102(本結果はNFW使用)
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PRL 115(2015)231301

7

暗黒物質制限：レプトンチャンネル
レプトン対への崩壊 ⇒ 陽電子の測定、ガンマ線の測定による制限
e+ + e+ + + +  -ガンマ線観測ドワーフ銀河の観測
VERITAS
チェレンコフ望遠鏡（地上)

ハドロンチャンネルと相補的(暗黒物質はどこかのチャンネルに対消滅)

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Fermi-LAT
電子対生成望遠鏡(衛星)

8

CALETによる暗黒物質制限
AMS-02 陽電子流束 (2014) + CALET全電子流束 (2018)
電子陽電子対への対消滅モードに特に高い感度

+ +  + + e+ + e-

H. Motz et al.,
JPS, Sept. 2018.

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9

CALETによる暗黒物質制限
AMS-02 陽電子流束 (2014) + CALET全電子流束 (2018)

+ +  + + -

e+ + e-H. Motz et al.,
JPS, Sept. 2018.

暗黒物質の対消滅⇒特徴的なスペクトル構造
バックグラウンドの不定性に対して強い探索

ダークマターの懇談会 2019 浅岡陽一

10

CALETによる暗黒物質制限
AMS-02 陽電子流束 (2014) + CALET全電子流束 (2018)

+ +  + + e+ + e-

• 長期観測による測定精度向上• 銀河宇宙線の高精度理解によるバックグラウンドの予測精度向上

WIMPパラダイム 直接検証
H. Motz et al.,
JPS, Sept. 2018.

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11

宇宙線の測定方法
TK Gaisser, 2006

宇宙線

直接測定

間接測定

- 気球
- 衛星

- 空気シャワー

直接測定：•
大気と相互作用する前に検出する•強力な粒子識別(Ref: KEK webページより)

空気シャワーによる間接測定：•
大面積化可能•高エネルギーでないと観測できないダークマターの懇談会 2019 浅岡陽一

12

ISS as a “Direct-Detection” Cosmic-Ray Observatory

ISS-CREAM Launch
August 14, 2017

AMS Launch
May 16, 2011

JEM-EF

JEM-EF

CALET Launch
CALET Launch
August19,20152015
August 19,
13

ISS as a “Direct-Detection” Cosmic-Ray Observatory
Calorimeter- Carbon target- Hadrons- Including TeV region
ISS-CREAM Launch
August 14, 2017

AMS Launch
May 16, 2011

Magnet Spectrometer- Various PID- Anti-particles- E  TeV

Calorimeter- Fully active- Electrons- Including TeV region

JEM-EF

JEM-EF

CALET Launch
CALET Launch
August19,20152015
August 19,
14

ISS as a “Direct-Detection” Cosmic-Ray Observatory
Calorimeter- Carbon target- Hadrons- Including TeV region
ISS-CREAM Launch
August 14, 2017

AMS Launch
May 16, 2011

Magnet Spectrometer- Various PID- Anti-particles- E  TeV

Calorimeter- Fully active- Electrons- Including TeV region

Fermi-LAT Launch June 11, 2008

DAMPE Launch
December 17, 2017

CALET Launch
CALET Launch
August19,20152015
August 19,
15

Direct measurements of cosmic rays：less room for “unknown” unknowns
1. Acceptance
2. Energy determination– Magnet spectrometer– Calorimeter

3. Particle identification– Rejection of background cosmic rays

4. Detection efficiency– Losses in the detector
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16

宇宙線観測＠宇宙空間
PAMELA (2006-2016)

AMS-02 (2011-)

ISS

1.3m

3m

衛星

• マグネットスペクトロメータ• 有効面積は小さいが長期観測可能• 2つの重要な発見
1. 陽電子過剰
2. 陽子ヘリウムスペクトル硬化• マグネットスペクトロメータ• 反粒子スペクトルの測定に最適化• 多目的粒子検出器 w/強力な粒子識別装置⇒ ～TeVの様々な粒子のスペクトルを測定• PAMELAの発見を高精度で確認

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17AMS-02 Detector
贅沢な粒子識別装置“redundant” な測定 ⇔ 物質量多Ref.: Duranti et al.
EPJ Web of Conf. 209(2019)01014 ダークマターの懇談会 2019 浅岡陽一

18AMS-02 Highlight (anti-particle)
Refs: Kounine@NextGAPES, Choutko@ISCRA, Moloro@CPAN DAYS, Ting@AMS-days La Palma
Positron Spectrum PRL 122(2019)041102

Antiproton Spectrum PRL 117(2015)091103
高エネルギー領域では、
一次宇宙線の不定性大Dark Matter Model based on J. Kopp,
Phys. Rev. D 88, 076013 (2013)

G. Giesen et al, JCAP 2015(09)023• 反ヘリウム候補がヘリウムに対して約10-8 の割合で見つかっているが、それらの候補の真偽を決めるには詳細な検出器の理解が必須。
• 反重陽子の候補？？？ GAPS
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19

全電子スペクトル測定：検出器
AMS-02 (2011-) 1800億円～250人

Fermi-LAT (2008-) 800億円
～200人

3m

ガンマ線用
大面積だが
カロリメータ薄い (10放射長)

1TeVでの幾何因子は
CALETの1/3程度
カロリメータも搭載(17放射長)カロリメータに特化(30放射長)CALET (2015-) 39億円 (搭載装置のみ)

CALETの回答

チャレンジ：
1. イベント数 (感度)大立体角＆長期観測
2. エネルギー測定
全吸収カロリメータ
3. 粒子識別
シャワー像イメージング
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CALET Instrument
Scintillating Fiber+ 64anode PMT

Plastic Scintillator+ PMT

Scintillator(PWO)+ APD/PDor PMT (X1)

CALORIMETER
CHD-FEC
IMC-FEC

CHD

IMC

TASC

CHD-FEC

CHD
IMC

TASC-FECTASC

IMC-FECTASC-FEC

CHD(Charge Detector)

IMC(Imaging Calorimeter)

TASC(Total Absorption Calorimeter)

MeasureCharge (Z=1-40)

Tracking , Particle ID

Energy, e/p Separation

Geometry(Material)

Plastic Scintillator
14 paddles x 2 layers (X,Y): 28 paddles
Paddle Size: 32 x 10 x 450 mm3

448 Scifi x 16 layers (X,Y) : 7168 Scifi
7 W layers (3X0): 0.2X0 x 5 + 1X0 x2
Scifi size : 1 x 1 x 448 mm3

16 PWO logs x 12 layers (x,y): 192 logs
log size: 19 x 20 x 326 mm3
Total Thickness : 27 X0 , ~1.2 λI

Readout

PMT+CSA

64-anode PMT+ ASIC

APD/PD+CSA
PMT+CSA (for Trigger)@top layer

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CALET検出器と3TeV宇宙線シャワー
3TeV 電子候補
1. 高精度飛跡再構成
十分に発達した
シャワーコア
2. 高エネルギー分解能
TeV領域電子シャワーの全吸収

10X0
17X0

3. 高効率での電子識別30放射長の厚さと詳細イメージング

30X0(軌道上データ; 検出器のサイズ：単位 cm)

CALETは全電子の観測に最適化された検出器
 TeV領域を含む全電子スペクトルの微細構造観測
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CALET検出器と3TeV宇宙線シャワー
対応する陽子バックグラウンド

3TeV 電子候補

1. 高精度飛跡再構成
十分に発達した
シャワーコア
2. 高エネルギー分解能
TeV領域電子シャワーの全吸収

10X0
17X0

3. 高効率での電子識別30放射長の厚さと詳細イメージング

30X0(軌道上データ; 検出器のサイズ：単位 cm)

CALETは全電子の観測に最適化された検出器
 TeV領域を含む全電子スペクトルの微細構造観測
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Event Examples of High-Energy Showers
Electron, E=3.05 TeV

Proton, ΔE=2.89 TeV

fully contained even at 3TeV

clear difference from electron shower

Fe(Z=26), ΔE=9.3 TeV

Gamma-ray, E=44.3 GeVenergy deposit in CHD consistent with Fe

no energy deposit before pair production

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24

Event Examples of High-Energy Showers
Electron, E=3.05 TeV

Proton, ΔE=2.89 TeV
Individual elements up to Z=28 are clearly
identified by CHD
H He
Li B
Be

fully contained even at 3TeVOCNNe Mg Si
Na Al
Fe
S
F
P Cl ArKCa Ti Mn
Sc V

Ni

clear difference from electron shower
Proton/helium separation using CHD/IMC charge

Gamma-ray, E=44.3 GeV

Fe(Z=26), ΔE=9.3 TeV

energy deposit in CHD consistent with Fe

no energy deposit before pair production

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25

Event Examples of High-Energy Showers
Electron, E=3.05 TeV

Proton, ΔE=2.89 TeV

Proton/helium separation using CHD/IMC charge

fully contained even at 3TeV

clear difference from electron shower

Fe(Z=26), ΔE=9.3 TeV

Gamma-ray, E=44.3 GeVenergy deposit in CHD consistent with Fe

no energy deposit before pair production

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26

Event Examples of High-Energy Showers
Electron, E=3.05 TeV

Proton, ΔE=2.89 TeV

fully contained even at 3TeV

clear difference from electron shower

GeV
Fe(Z=26), ΔE=9.3 TeV Clear e/p separation usingGamma-ray,
multivariateE=44.3
analysisenergy deposit in CHD consistent with Fe

no energy deposit before pair production

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27

All Electron Spectrum:
Extended Measurement by CALET
Approximately doubled statistics above 500GeV by using full acceptance of CALET

CALET: Phys.Rev.Lett. 120 (2018) 261102 (~ 2 x PRL2017)
DAMPE: Nature 552 (2017) 63, 7 December 2017

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CALET vs DAMPE
両者とも、カロリメータに特化した検出器
DAMPE

CALET

• サイズはDAMPEのほうが大きい (～3倍)• CALETの方が全吸収カロリメータの隙間が小さい (約半分）• CALETは地上にて全吸収カロリメータ読み出しの全ダイナミックレンジの較正を行っており、線形性が保証されている
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29

All Electron Spectrum:
Extended Measurement by CALET
Approximately doubled statistics above 500GeV by using full acceptance of CALET
1. CALET’s spectrum is consistent with AMS-02 below 1 TeV.
2. There are two group of measurements:
AMS-02+CALET vs Fermi-LAT+DAMPE, indicating thepresence of unknown systematic errors.

3. CALET observes flux suppression consistent with
DAMPE within errors above 1TeV.
4. No peak-like structure at 1.4 TeV in CALET data,irrespective of energy binning.

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30

Discrepancy still exists, but improved
Before CALET & DAMPE(気球+宇宙観測)

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All Electron Spectrum:
Extended Measurement by CALET
Approximately doubled statistics above 500GeV by using full acceptance of CALET
1. CALET’s spectrum is consistent with AMS-02 below 1 TeV.
2. There are two group of measurements:
AMS-02+CALET vs Fermi-LAT+DAMPE, indicating thepresence of unknown systematic errors.

3. CALET observes flux suppression consistent with
DAMPE within errors above 1TeV.
4. No peak-like structure at 1.4 TeV in CALET data,irrespective of energy binning.

ダークマターの懇談会 2019 浅岡陽一

32AMS-02 Updates (e+ and e-)
Positron: PRL 122(2019)041102
Electron: PRL 122(2019)101101• 電子＋陽電子のスペクトルはAMS-02 の統計が上がることでより CALET に合致− 低エネルギー ⇒ 太陽変調
− 300GeV, 1TeV付近の構造

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33

間接測定の結果との比較
P.Lipari arXiv:1902.06173

Room for “unknown” unknownsに注意が必要HESS: ICRC2017, unpublishedダークマターの懇談会 2019 浅岡陽一

34

２年間のデータ蓄積により観測領域を拡張、4.8テラ電子ボルトまでの高精度電子識別に成功
CALET vs DAMPE (Point 4)

arXiv:1711.10995

CALET: PRL 119 (2017) 181101, 3 November 2017
DAMPE: Nature 552 (2017) 63, 7 December 2017arXiv:1711.11579
本論文では議論されていないピーク
構造を暗黒物質として解釈する多数の論文が出現arXiv:1712.00869

arXiv:1711.11012
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２年間のデータ蓄積により観測領域を拡張、4.8テラ電子ボルトまでの高精度電子識別に成功
CALET vs DAMPE (Point 4)

DAMPE実験と同一のエネルギービンを使用

1.4 TeV peak is disfavoredwith 4 significance4. No peak-like structure at 1.4 TeV in CALET data,irrespective of energy binning.

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36

Prospects for CALET All-Electron Spectrum
Five years or more observations ⇒ 3 times more statistics, reduction of systematic errors••

The possibility of new discoveries dwells in finestructures of the all-electron spectrum.
Taking advantage of localness, the TeV all-electron
spectrum approaches its origin.
Extension of energy reach & anisotropy⇒ identification of local
cosmic-ray accelerator

Further precision⇒ origin of positron excess
pulsar or dark matter
Contribution
from distant SNe

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Vela

Local young SNe37

Status of Cosmic-Ray Proton Spectrum Measurements
E < 100 GeV:E ≲ 1TeV:
E > 1 TeV:

Percent level agreement is obtained between
magnet spectrometers (BESS-TeV, PAMELA, AMS-02)
PAMELA and AMS-02 measured spectral hardening
Calorimetric instruments measured
even harder spectrum

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Status of Cosmic-Ray Proton Spectrum Measurements
E < 100 GeV:E ≲ 1TeV:
E > 1 TeV:

Percent level agreement is obtained between
magnet spectrometers (BESS-TeV, PAMELA, AMS-02)
PAMELA and AMS-02 measured spectral hardening
Calorimetric instruments measured
even harder spectrum••

一次宇宙線の不定性は、2次粒子の生成量に直接影響
特に、陽子が星間物質と衝突して生成される反陽子は一桁ぐらいエネル
ギーが小さいので、100GeV領域の反陽子流束の見積もりにクリティカル

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39

Status of Cosmic-Ray Proton Spectrum Measurements
E < 100 GeV:E ≲ 1TeV:
E > 1 TeV:

Percent level agreement is obtained between
magnet spectrometers (BESS-TeV, PAMELA, AMS-02)
PAMELA and AMS-02 measured spectral hardening
Calorimetric instruments measured
even harder spectrum

Universal hardening observed in heavier
nuclei suggests a propagation effects.
⇔ Is this picture consistent with thespectral behavior in the TeV region?

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Status of Cosmic-Ray Proton Spectrum Measurements
E < 100 GeV:E ≲ 1TeV:
E > 1 TeV:

Percent level agreement is obtained between
magnet spectrometers (BESS-TeV, PAMELA, AMS-02)
PAMELA and AMS-02 measured spectral hardening
Calorimetric instruments measured
even harder spectrum

Universal hardening observed in heavier
nuclei suggests a propagation effects.
⇔ Is this picture consistent with thespectral behavior in the TeV region?

It is very important to measure both
energy regions with a single instrument.

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CALET
41

Wide Dynamic Range Energy Measurement
Distribution of TASC energy deposit sum
Y.Asaoka, Y.Akaike, Y.Komiya, R.Miyata, S.Torii et al.
(CALET Collaboration), Astropart. Phys. 91 (2017) 1.
HETrigger
LETrigger region
regionTASC Log

All Particles(PWO)

APD（100mm2）
S8664-1010
PD（5.8mm2）
S1227-33BR

1 PeV
An example of gain
connection in one PWO log:

(Statistical error only)

The smooth distribution clearly reflects thepower-law nature of cosmic-rays,demonstrating the reliability of the energy
measurement over a wide energy range.
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42Cosmic-Ray Proton Spectrum from CALET
CALET Collaboration, Phys. Rev. Lett. 122, 181102
151013—180831
Highlighted Aas “Editor’s Suggestion”
Acceptance
50 GeV —10 TeV

Using the single instrument,
CALET measures the wholeenergy region previously coveredby magnet spectrometers andcalorimeters

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43

Cosmic-Ray Proton Spectrum from CALET
CALET Collaboration, Phys. Rev. Lett. 122, 181102
151013—180831
Highlighted Aas “Editor’s Suggestion”
Acceptance
50 GeV —10 TeV

Using the single instrument,
CALET measures the wholeenergy region previously coveredby magnet spectrometers andcalorimeters

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44

Cosmic-Ray Proton Spectrum from CALET
CALET Collaboration, Phys. Rev. Lett. 122, 181102
151013—180831
Highlighted Aas “Editor’s Suggestion”
Acceptance
50 GeV —10 TeV
Systematic errors are discussed in detailin the Supplement Material

Key
Points:Using
the single instrument,
Widedynamic
range
CALETenergy
measuresthe whole(wellcalibrated)with constantenergyregion previously
coveredresponse
and andby magnet(resolution
spectrometers
observedenergy fraction)
calorimeters

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45Cosmic-Ray Proton Spectrum from CALET
CALET Collaboration, Phys. Rev. Lett. 122, 181102
151013—180831
Highlighted Aas “Editor’s Suggestion”
Acceptance
50 GeV —10 TeV

Using the single instrument,
CALET measures
the whole
Progressive
hardeningof the cosmic-ray
energyspectrum
region previously
protonidentifiedcoveredby first direct
by magnet spectrometers
measurementfrom 50 GeV andto 10 TeV
calorimeters
witha single instrument in space

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46

Spectral Behavior of Proton Flux
w/ Systematic Errors

1. Subranges of 50—500GeV, 1-10TeV can be
fitted with single power law function, but not
the whole range (significance > 3σ).
2. Progressive hardening up to the TeV region
was observed.
3. “smoothly broken power-law fit” gives powerlaw index consistent with AMS-02 in the low
energy region, but shows larger index change
and higher break energy than AMS-02.
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47

Prospects for CALET p/He spectrum measurement•

CALET’s proton spectrum covers for the first time in space the whole energy interval
previously investigated in separate sub-ranges by magnet spectrometers and calorimeters,
making it possible to discuss the spectral behavior in detail.
––•Includes the assessment of systematic uncertainties.
Measured smoothness and extent of the spectral index change should have a strong impact on theinterpretation of the spectral hardening.

The future main target is to verify the charge-dependent acceleration limit of supernovae
by precisely measuring the spectra of protons and helium up to the 100 TeV region.
Phys. Soc. Japan vol67.12 p834
(Ohira, Yamazaki, Terasawa) in JapaneseHeliumProton(Assumption)(Assumption)

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48

Prospects for CALET p/He spectrum measurement••

CALET’s proton spectrum covers for the first time in space the whole energy interval
previously investigated in separate sub-ranges by magnet spectrometers and calorimeters,
makingpossible toenergy
discuss
the spectral behavior in detail.
Theitmaximum
extracted– Includes
the assessmentof systematic uncertainties.
fromtypical supernova– Measured
smoothness
and extent
of the spectral index change should have a strong impact on theparameters
are muchsmallerinterpretation of the spectral hardening.
than the “knee” energy (3 PeV)
The future main target is to verify the charge-dependent acceleration limit of supernovae
by precisely measuring the spectra of protons and helium up to the 100 TeV region.
Phys. Soc. Japan vol67.12 p834
(Ohira, Yamazaki, Terasawa) in JapaneseHeliumProton(Assumption)(Assumption)

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49

Prospects for CALET nuclei spectrum measurement•

CALET’s proton spectrum covers for the first time in space the whole energy interval
previously investigated in separate sub-ranges by magnet spectrometers and calorimeters,
making it possible to discuss the spectral behavior in detail.
––•Includes the assessment of systematic uncertainties.
Measured smoothness and extent of the spectral index change should have a strong impact on theinterpretation of the spectral hardening.

The future main target is to verify the charge-dependent acceleration limit of supernovae
by precisely measuring the spectra of protons and helium up to the 100 TeV region.
Phys. Soc. Japan vol67.12 p834
(Ohira, Yamazaki, Terasawa) in JapaneseHelium(Assumption)

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まとめ
• 暗黒物質間接観測の意義– 暗黒物質の熱的残存条件を“直に”プローブ可能– バックグラウンドの不定性をどう抑えるかが重要• 宇宙線直接観測の状況– 長年の夢だった宇宙空間における宇宙線直接観測が実現― PAMELA, AMS-02, CALET, DAMPE (+Fermi-LAT)– “unknown” unknowns の余地に注意（宇宙線間接観測の場合は特に注意必要)• 今後の展望– CALET, DAMPE が順調に観測を継続しており、今後に注目– AMS-02 からは、反物質(反重陽子, 反ヘリウム)の結果がでてくるか
ダークマターの懇談会 2019 浅岡陽一

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