暗黒物質直接探索グループ
森山 茂栄 （もりやま しげたか）
東京大学 宇宙線研究所
宇宙ニュートリノ研究部門

0何を研究したいですか？

大きな謎を解きたい
当然大きな困難も立ちはだかるだろうがどんなテーマがあるだろうか3

The 7 Biggest Unanswered Questions in Physics
1. What is matter made of?
2. Why is gravity so weird?
3. Why does time seem to flow only in one
direction?
4. Where did all the antimatter go?
5. What happens in the gray zone between solidand liquid?
6. Can we find a unified theory of physics?
7. How did life evolve from nonliving matter?
3

https://www.nbcnews.com/mach/science/7-biggest-unanswered-questions-physics-ncna789666

The 7 Biggest Unanswered Questions in Physics
物質は何からできているか？
＝暗黒物質への問い

1. What is matter made of?
2. Why is gravity so weird?
3. Why does time seem to flow only in one
direction? Super-K/Hyper-K 宇宙のCP対称性の破れ？
4. Where did all the antimatter go?
5. What happens in the gray zone between solidand liquid?
大統一理論？
6. Can we find a unified theory of physics?
7. How did life evolve from nonliving matter?
私の研究に関連する項目
3

https://www.nbcnews.com/mach/science/7-biggest-unanswered-questions-physics-ncna789666

物質は何からできているか？

とあるホームページ• きっと正しくないことが書かれている。

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物質は何からできているか？
• 人類の物質観は長い歴史がある。
• 「原子論」は古代から存在した– 科学として成立したのは、アインシュタインのブラウン運動の理論的予言と、その実験的検証– 1905-1916年あたりに生じた「革命」的展開• なぜ原子分子が物質の正体であると誤ったか？
– たまたま身の回りにあったから。

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物質は何からできているか？
• 宇宙観測：原子分子だけでは説明不可
未発見の「物質」が一種あれば説明可！
大規模

小規模銀河の回転速度

衝突する銀河

銀河大規模構造 暗黒物質地図

宇宙背景輻射6

物質は何からできているか？
• 宇宙全体で見ると、「物質」は原子分子の5.5倍。
• なぜその大量にあるはずの「物質」に気づかなかったのか？
– あまりにも「感じない」– あまりにも「薄く広がっている」– でも1930年代にはすでに知られ始めていた• ただしそれこそが「物質」の本質を握っている。
– 「ダークマター」「暗黒物質」と名前があっても正体不明
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The 7 Biggest Unanswered Questions in Physics
検出器開発、XENON実験

物質は何からできているか？
＝暗黒物質への問い

1. What is matter made of?
2. Why is gravity so weird?
3. Why does time seem to flow only in one
direction?
宇宙のCP対称性の破れ？
4. Where did all the antimatter go?
5. What happens in the gray zone between solidand liquid?
大統一理論？
6. Can we find a unified theory of physics?
7. How did life evolve from nonliving matter?
私の研究に関連する項目
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https://www.nbcnews.com/mach/science/7-biggest-unanswered-questions-physics-ncna789666

素粒子としての暗黒物質の正体の解明
9最も解明できそうな方法案• 通常の物質が反跳される現象を測定
暗黒物質が飛来るなと能可が定同の子粒原子核宇宙の彼方へ反応時の信号を検出• 付与されるエネルギー分布で質量が求まる• 反応の頻度で相互作用の強さが求まる

10もう一つの特徴：
暗黒物質の「風」と季節変動• 暗黒物質が飛び交う銀河の静止系に対して太陽系が運動。公転する地球に乗っていると暗黒物質の「風」の強度が季節により振動。
• 衝突する頻度が変化、反跳原子核の方向観測
実は変動を観測したと主張する実験グループもある！

「暗黒物質の風」

向かい風
衝突: 多

追い風
衝突：少1122

探索実験研究の紹介
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関谷研

新たな検出器開発１「暗黒物質を直接捉える」といっても要は→

検出率

Step1: とにかく「検出」しないと始まらない
Step2: 検出率に暗黒物質の特徴がみられるか検証

Step1 とにかくバックグラウンド(BG)を低減してターゲット質量を増やす必要がある「将来XENONnTなどよりも大きな検出器を実現するにはどうしたらよいか」→球状液体キセノンTPC検出器+ウニ電極の開発
フランス CEA Saclay、イギリスBirmigham大スウェーデンESSとの共同研究
Saclayでの電極実験

神岡での液体 TPC 実験

2019年初めて成功した時のシグナル！！

関谷研

新たな検出器開発２

向感 を持つ固 検出器
ZnWO4結晶・ 位格子と共 のをなるように切り出された

Step2 暗黒物質の特徴は銀河中の地球の動きによって生まれる(Nikolaev Institute製)

・ 色の 斜晶系結晶

・ 光の減衰時 数が い

「暗黒物質の特徴を検証するにはどうしたらよいか」

先行研究→白鳥座方向からの入射方向に感度をもった検出器の開発

・ 性子の 射 向によって方向によって発光量の異なる結晶を利用する

・865keVの 色 性子ビーム照A とB で(14.0±0.5)％の東北大学、東大（理）、韓国IBSとの共同研究
つくば
産総研でのビーム実験

1. μsec
0.0μsec.0μsec, μsec, 0. μsec

赤と青がA

黒と がB

韓国 IBS での冷却実験[4]ピーダーセン珠杏, 修士, PhD thesis,京 学(2019)

これまで修士学生の仕事がすべて投稿論文になっています M.Shibata

2020

9月16

学会

PTEP 2022, 013C01
J.W.Pedersen PTEP 2020, 023C01

XENON実験＠イタリア
グランサッソ研究所

東京・名古屋・神戸大
森山他

研究計画(XENON実験)
世界最高感度で発見を狙う代表的実験

Masaki Yamashita, UTokyo

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XENON collaboration

XENONnTの建設・観測のため201７から参加~180 scientists, from 27 institutions
日本から14名（学生は東大から1名、神戸2名参加）

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Credit: XENON Collaboration

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Credit: XENON Collaboration

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Credit: XENON Collaboration

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Credit: XENON Collaboration

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Credit: XENON Collaboration21

世界の国々の研究者、学生、男性女性多種多様な研究者とともに研究を進める

２０２０年春からコロナの時期を超えて実験装置建設と運転開始！
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東京大学のXENONグループ

IPMUメンバーがXENON賞を受賞
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まとめ• 宇宙の物質をまだ誰も理解していない• 世界で初めてその謎を解き明かそう
森山 茂栄 moriyama@icrr.u-tokyo.ac.jp
関谷洋之 sekiya@km.icrr.u-tokyo.ac.jp
宇宙線研６階大セミナー室でお待ちしています23