I. イントロダクション
Connection
素粒子物理学
暗黒物質
宇宙物理学
1.全質量の22%、構造形成の種
2.標準模型を超える物理の証拠
LHC実験に期待される事:
暗黒物質の正体を解明し、その性質を調べる!!
暗黒物質の正体が解明され、その性質が明らか
になった際の、宇宙論及び天文学に対する影響
II. TeVの物理と暗黒物質
何故LHCに暗黒物質の正体解明を期待するのか?
暗黒物質は標準模型を超える物理、特にTeV
スケールの物理と深く関っている可能性大!!
具体例
1.超対称性 シナリオ
(MSSM)
2.リトルヒッグス シナリオ
(LHT)
3.TeVスケール余剰次元 シナリオ (UED)
4.…………..
1.超対称 シナリオ
Quark
Lepton
Gauge
Higgs
(R-even)




Squark
Slepton
Gaugino
Higgsino
(R-odd)
Motivation
•
•
ヒッグス質量に対する安定性
大統一理論
陽子崩壊を抑制→R-parity
↓
最も軽い超対称性パートナー
(LSP)は安定(暗黒物質の候補)
Neutralino 暗黒物質
~
~
~
~
~
c0 = ZBB + ZWW + ZHuHu + ZHdHd
2
m0 (TeV)
ボソンとフェルミオンの間の対称性
CMSSM
1
0
1
m1/2 (TeV)
2
Roszkowski, Ruiz, Nihei
1.超対称 シナリオ
ボソンとフェルミオンの間の対称性
Quark
Lepton
Gauge
Higgs
(R-even)




Squark
Slepton
Gaugino
Higgsino
(R-odd)
LHCにおけるシグナル
Motivation
•
•
ヒッグス質量に対する安定性
大統一理論
陽子崩壊を抑制→R-parity
↓
最も軽い超対称性パートナー
(LSP)は安定(暗黒物質の候補)
Missing Energy
を伴うカスケード崩壊
2.リトルヒッグス シナリオ
E
10 TeV
グローバル対称性
(わずかに破れている)
1 TeV
グローバル対称性
が自発的に破れる
0.1 TeV
ヒッグス粒子が
擬NGボソンとして出現
対称性の破れはヒッグスの
質量に対する2次発散が
1ループレベルで相殺するよう
アレンジされている。
ヒッグスは始めから理論に
入っているわけではなく、
対称性の破れ結果現れる
(QCDのpと類似)
対称性の破れのアレンジの為軽いヒッグス(リトルヒッグス)を予言
2.リトルヒッグス シナリオ
グローバル対称性に付随したパートナー達
Gauge  Heavy Gauge
(但し gluon 以外)
Higgs
 Triplet Higgs
Top quark  T-odd top
↑
↓
Top partner  T-odd Top partner
(T-even)
(T-odd)
Heavy Photon 暗黒物質
AH = ZBBH + ZWW3H
LHT
LEPからの制限→T-parity
↓
最も軽いTパートナー(LTP)
は安定(暗黒物質の候補)
 26日(月) Asano-san’s talk
Asano, S.M, N.Okada, Y.Okada
2.リトルヒッグス シナリオ
グローバル対称性に付随したパートナー達
Gauge  Heavy Gauge
(但し gluon 以外)
Higgs
 Triplet Higgs
Top quark  T-odd top
↑
↓
Top partner  T-odd Top partner
(T-even)
(T-odd)
LHCにおけるシグナル
jet
jet
jet b-jet
b-jet
W
jet
p
W
t
T–
T–
AH
t
p
AH
LEPからの制限→T-parity
↓
最も軽いTパートナー(LTP)
は安定(暗黒物質の候補)
Missing momentumを伴う
トップクォーク対生成
 26日(月) Asano-san’s talk
 26日(月) Nomura-san’s talk
S.M, D.Nomura, M.M.Nojiri
3.TeVスケール余剰次元シナリオ
余剰次元はTeVスケールで
コンパクト化されている。
E
10 TeV
高次元の理論
1 TeV
標準理論
+KK励起状態
0.1 TeV
標準模型
余剰次元の効果は、標準模型の
粒子達に付随する
カルツァクライン(KK)励起状態
として観測
新しい物理のパラメータとして
導入されるパラメータが少ない。
(5 dim UED の場合、1/Rのみ)
暗黒物質の安定性が、余剰次元
方向の運動量保存則により保障
3.TeVスケール余剰次元シナリオ
1st KK Photon 暗黒物質
Quark  n-th KK quark
Lepton  n-th KK lepton
Gauge  n-th KK gaugino
Higgs  n-th KK Higgs
(KK-even) (KK-odd for odd n
KK-even for even n)
A(1) = ZBB(1) + ZWW3(1)
Minimal UED
5次元方向の運動量保存則
+コンパクト化→KK-parity
↓
最も軽い1st KK 粒子 (LKP)
は安定(暗黒物質の候補)
M.Kakizaki, S.M, M.Senami
3.TeVスケール余剰次元シナリオ
LHCにおけるシグナル
Quark  n-th KK quark
Lepton  n-th KK lepton
Gauge  n-th KK gaugino
Higgs  n-th KK Higgs
(KK-even) (KK-odd for odd n
KK-even for even n)
5次元方向の運動量保存則
+コンパクト化→KK-parity
↓
最も軽い1st KK 粒子 (LKP)
は安定(暗黒物質の候補)
Missing Energy
を伴うカスケード崩壊
(SUSY と 酷似)
m
Z(2)
KK-even
m
2nd KK 粒子生成
(Z’-search と基本的に同じ)
III. 宇宙論への影響
nDM / ng
初期宇宙における暗黒物質の振る舞い
Increasing 〈σv 〉
10
1
熱平衡
100
m/T (time )
nDM / ng = 一定
1000
対消滅反応の凍結
( H = Γ= 〈σv 〉nDM )
暗黒物質の対消滅断面積が現在の宇宙における
暗黒物質の残存量(暗黒物質の質量密度)を決定
LHC実験結果
暗黒物質の
対消滅断面積
を評価
現在の宇宙に
おける暗黒物質
残存量を予言
比較
宇宙背景放射
の揺らぎ観測
WMAP,Planck
比較プロセスのデモンストレーション (MSSM)
サンプルポイント
残存量
0.3
LHCとWMAPの比較
0.2
WMAP
LHC
0.1
0
暗黒物質の質量:
5%の精度
対消滅断面積:
7%の精度
E.A.Baltz, et.al. (hep-ph/0602187)
200
100
暗黒物質の質量(GeV)
比較プロセスのデモンストレーション (MSSM)
サンプルポイント
残存量
0.3
LHCとWMAPの比較
0.2 WMAP
0.1
LHC
0
暗黒物質の質量:
10%の精度
対消滅断面積:
Impossible
E.A.Baltz, et.al. (hep-ph/0602187)
200
100
暗黒物質の質量(GeV)
Neutralino と stau が縮退
残存両は2粒子間の質量
差に強く依存。
LHCで作り出した粒子は本当に暗黒物質か?
銀河ハロー
地球
暗黒物質と通常物質との
散乱の際放出される
エネルギーを利用する。
シグナルは暗黒物質と核子の散乱断面積で決まる
LHC実験結果
暗黒物質の
対消滅断面積
を評価
暗黒物質と核子
の散乱断面積を
評価
現在の宇宙に
おける暗黒物質
残存量を予言
直接検出観測
におけるシグナ
ルを予言
比較
宇宙背景放射
の揺らぎ観測
WMAP,Planck
比較
暗黒物質の
直接検出観測
CDMS,Xmass
比較プロセスのデモンストレーション (MSSM)
散乱断面積(pb)
サンプルポイント
10-6
LHC
10-8
10-10
0.01
0.1
1
暗黒物質の質量(TeV)
散乱断面積:
10-9~10-8(pb)
E.A.Baltz, et.al. (hep-ph/0602187)
比較プロセスのデモンストレーション (MSSM)
散乱断面積(pb)
サンプルポイント
10-6
LHC
10-8
10-10
0.01
0.1
1
暗黒物質の質量(TeV)
散乱断面積:
10-9~10-6(pb)
E.A.Baltz, et.al. (hep-ph/0602187)
IV. 天文学への影響
暗黒物質の間接的検出観測
対消滅
暗黒物質 → ← 暗黒物質
シグナルは
暗黒物質の対消滅断面積
と宇宙(銀河)の構造
(例:暗黒物質密度)
で決まる
地球
高エネルギー粒子線
LHC実験結果
暗黒物質の
対消滅断面積
を評価
暗黒物質と核子
の散乱断面積を
評価
暗黒物質の
対消滅断面積
を評価
現在の宇宙に
おける暗黒物質
残存量を予言
直接検出観測
におけるシグナ
ルを予言
暗黒物質の分
布等の宇宙の
構造を調べる
比較
宇宙背景放射
の揺らぎ観測
WMAP,Planck
比較
暗黒物質の
直接検出観測
CDMS,Xmass
暗黒物質の
間接検出観測
GLAST等
γ線を用いた観測
高エネルギーγ線
1
G.Beltone, et.al. (hep-ph/0404175)
銀河中心からのγ線
10-5
地球
10-10
10-15
0.1
1
10
100
γ線のエネルギー(GeV)
γ線フラックス∝(sv) ×n2DM (nDM: 暗黒物質の数密度)
⇒ 銀河内における暗黒物質分布の評価
反陽子を用いた観測
Hisano, S.M., Senami, Saito(2006)
高エネルギー反陽子
地球
銀河内磁場
反陽子の運動エネルギー(GeV)
反陽子フラックス∝ (sv) ×銀河内磁場の体積
⇒ 銀河磁場が(垂直)方向にどの程度広がっているか評価
まとめ
• LHC実験は、素粒子物理学においてのみならず
宇宙物理学にとっても非常に重要。
• 特にLHCにおいて暗黒物質の正体解明が期待される。
• LHCの実験結果と宇宙物理の観測を比べる事により、
宇宙最初期での熱史、現在の宇宙の構造について
調べる事が可能である(暗黒物質天文学の始まり)。
議論
• LHC(ILC)で、暗黒物質の性質決定がどの程度の精度
で行えるか?
• 暗黒物質を用いた宇宙の構造探査は、どの程度の精度
で行えるか?
• LHC実験で、暗黒エネルギーについて何か言えるか?
ダウンロード

ppt