暗黒物質の宇宙論的進化と性質の解明

暗黒物質は標準理論を超える物理の明白な証拠であるが、その正体は未だわかっていない。しかし、暗黒物質は非相対論的物質として宇宙の構造形成で重要な役割を果たすこと、標準理論粒子との相互作用が弱いこと、非常に長い寿命を持つことが実験や観測によって明らかになっている。暗黒物質の有力候補としてWIMPs（Weakly Interactive Massive Particles）が知られているが、未だに加速器実験や直接探索実験で発見されていない。本年度の研究では、隠れたセクターにおけるモノポール暗黒物質に注目して研究をおこなった。モノポールは隠れたセクターにおける対称性の自発的破れに伴って生成されるトポロジカルな欠陥であり、その安定性は残った隠れたU(1)によって保証される。隠れたモノポールは暗黒物質として必要な安定性を持っているものの、標準理論との相互作用が存在しないため、実験や観測による検証が難しい。そこで本研究では、アクシオンが標準理論と隠れたセクターをつなぐポータル模型について考察をおこなった。具体的には、モノポール暗黒物質の核子との散乱断面積に対する直接検出実験からの制限と、ビームダンプ実験によるアクシオン探索の双方を調べ、将来実験によって双方からの発見が可能なパラメータ領域を絞り込むことに成功した。また、モノポール暗黒物質同士は相互作用をするため、宇宙の小スケールにおける構造形成の問題を解決できる可能性を秘めていることもわかった。

暗黒物質は標準理論を超える物理の明白な証拠であるが、その正体は未だわかっていない。しかし、暗黒物質は非相対論的物質として宇宙の構造形成で重要な役割を果たすこと、標準理論粒子との相互作用が弱いこと、非常に長い寿命を持つことが実験や観測によって明らかになっている。暗黒物質の有力候補としてWIMPs（Weakly Interactive Massive Particles）が知られているが、未だに加速器実験や直接探索実験で発見されていない。本年度の研究では、隠れたセクターにおけるモノポール暗黒物質に注目して研究をおこなった。モノポールは隠れたセクターにおける対称性の自発的破れに伴って生成されるトポロジカルな欠陥であり、その安定性は残った隠れたU(1)によって保証される。隠れたモノポールは暗黒物質として必要な安定性を持っているものの、標準理論との相互作用が存在しないため、実験や観測による検証が難しい。そこで本研究では、アクシオンが標準理論と隠れたセクターをつなぐポータル模型について考察をおこなった。具体的には、モノポール暗黒物質の核子との散乱断面積に対する直接検出実験からの制限と、ビームダンプ実験によるアクシオン探索の双方を調べ、将来実験によって双方からの発見が可能なパラメータ領域を絞り込むことに成功した。また、モノポール暗黒物質同士は相互作用をするため、宇宙の小スケールにおける構造形成の問題を解決できる可能性を秘めていることもわかった。