博士・修士 論文発表会 2023
博士課程３年: 畑 和実 (KamLAND)

• Feb. 21, 2023
• 研究成果

博士課程３年: 畑 和実 (KamLAND)   発表：２０２２年１月２６日

『First Search for Charged Excited States in WIMP Dark Matter with KamLAND-Zen 』
(KamLAND-ZenによるWIMP暗黒物質の荷電励起状態の初探索)

論文概要

宇宙の重力源である暗黒物質(DM)は、さまざまな観測的証拠があるにもかかわらず、未発見の物質である。その最有力候補はWIMPsという弱く相互作用する標準模型を超えた未知の素粒子である。宇宙初期の高温・高密度のプラズマ中でのWIMPs同士の対消滅によって、現在観測されているDM量に凍結されたとされる。

しかし、co-annihilationが起こると従来の想定が成り立たない可能性がある。WIMPsより少し重い新粒子が存在しているとすると、DMの消滅過程に影響を与える。もし、co-annihilationが起こると、WIMPsの対消滅断面積が従来の想定より小さい場合でも、現在のDM量を説明できる可能性がある。

理論的には、WIMPsと新粒子の質量差が十分小さく、新粒子が負の電荷を持つ場合がある。この場合、新粒子と原子核が束縛状態を形成する可能性がある。探索可能な質量差の範囲は原子の結合エネルギーに依存するため、キセノンを用いた実験がより広い範囲を探索できる。また、信号はMeVオーダーであるため、通常のDM直接探索実験での探索は難しい。

本博士論文ではKamLAND-ZenにおけるDMの荷電励起状態の初探索結果について報告した。KamLAND-Zenはキセノンのニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊の探索を主目的としており、世界最高感度で探索している。その低背景事象環境下を活かし、様々な研究で活躍できる可能性があるが、これまで二重ベータ崩壊以外の物理探索は行われていない。本研究では、DM由来のピーク信号の背景事象となりうる、中性子捕獲事象由来のガンマ線とセシウム136由来のガンマ線の定量的見積もりや、より広いエネルギー範囲でのキセノン核破砕生成物の考慮を行った。

本研究の結果、質量差1.0 から17.8 MeVにおいて、新粒子の崩壊幅や超対称性理論を仮定した場合の結合定数に対して世界で最も厳しい制限を与えた。



✿ 感想

本番は少しのトラブルでとても焦りましたし緊張しました。ビデオ会議に繋げながらスクリーンに映すなど、本番の条件下で発表練習をした方がよかったなと思います。また、RCNSの方々も会場に来てくださっていたので、気持ちが和らぎました。ありがとうございました。