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ベクトル型媒介粒子模型による暗黒物質探索の研究

米村, 美紀 お茶の水女子大学

2021.09.30

概要

本学位論文は,研究 [1] に基づく.
素粒子標準模型は,電弱スケール O(100 GeV) 以下の現象を非常に良く説明する優れた理論として知られる [2].2012 年の大型ハドロン衝突型加速器 (Large Hadron Collider, LHC) 実験でのヒッグス粒子の発見 [3] により一応の完成をみた標準模型であったが,ニュートリノ質量の起源や暗黒物質の候補粒子の不在など,理論的不備及び観測結果との不一致をいくつか内包している.

現在,世界中で暗黒物質候補粒子の検出を目指す研究が行われている.暗黒物質とは,他の物質との相互作用が極めて弱い,質量を持つ長寿命な物質の総称である.現時点でその正体に関する詳細は不明であるが,暗黒物質の存在を示す観測事実は銀河の回転速度曲線や弾丸銀河団の衝突などから,複数報告されている.宇宙の全エネルギーの内,約 1/4 程度を占めるとされている暗黒物質についてのより深い知見を得ることは,宇宙物理学のみならず,素粒子物理学にも大きな影響をもたらす.スイス・フランスに跨って建設されたLHC 実験は,世界最高エネルギーの陽子-陽子衝突型円形加速器である. LHC 実験の主な目的は,ヒッグスセクターの精密測定や新粒子の観測であり,2012 年には標準模型で唯一未発見であったヒッグス粒子を発見した.LHC 実験では,ルミノシティを上げるHL-LHC(High-Luminosity LHC) や衝突エネルギーを上げるHE-LHC(High-Enegry LHC) などの様々なアップデートが計画されている [4–7].

本学位論文では,模型および暗黒物質の探索を現象論的に研究解析するにあたって,前方陽子検出器を用いた LHC 実験での陽子・光子衝突過程に注目し,暗黒物質探索の可能性を評価した [1].前方検出器とは,従来の陽子・陽子衝突の観測を行う相互作用点から前方へ約数百メートル離れた地点に設置される検出器のことであり,これはエネルギーを失って磁場によって軌道を曲げられた陽子を検出するためのものである.ここで捉えられる陽子は,相互作用点において壊れないままに準実光子を放出してエネルギーを失ったものが前方まで飛んできて検出されることになる.この前方陽子検出器を用いる利点は,従来の LHC 実験で観測されてきた陽子・陽子衝突実験におけるクォークやグルーオンの反応過程ではなく,光子を始状態とする過程について調べることを可能とすることにある.本学位論文では,従来の反応過程で解析されてきた Simplified 暗黒物質模型に対して,新たな反応過程で解析を行うことにより,前方検出器を用いることによって現れる観測可能な物理量への影響や終状態粒子の振る舞いの特性を研究することも本研究の動機の一つである.

本学位論文では,Simplified 暗黒物質模型の中でも,スピン 1 を持つベクトル型の媒介粒子模型に着目して行った研究について報告する.Simplified 暗黒物質模型は,新たに導入した暗黒物質や媒介粒子のスピンによっていくつかの種類が考えられており,広く解析に用いられる.Simplifed 暗黒物質模型におけるspin-1 のベクトル型の媒介粒子 Z′ とフェルミオン ψ との相互作用ラグランジアンは,で与えられる.gV と gA は,それぞれ ψ と Z′ のベクトル型及び軸性ベクトル型相互作用の結合定数であり,ψ はフェルミオン暗黒物質 χ とクォーク q (= u, d, c, s, b, t) を表す.本模型の独立なパラメータは,暗黒物質質量 mχ,媒介粒子質量 mZ′ ,結合定数 gV と gA の 4 つに絞られる.したがって,観測可能な物理量から模型の評価を行うことを容易にするフレームワークであり,新物理のシグナルを実験で発見し模型の理論と照らし合わせる際の重要な橋渡しとなる.

本研究では,フェルミオン暗黒物質 χ の生成過程 pp → pγp → pjχχ¯X(ここで,j はジェット,X は識別しない粒子群を表す) をspin-1 を持つ媒介粒子 Z′ がクォーク q もしくは暗黒物質 χ と相互作用する 3 つのベンチマークシナリオに対してそれぞれ解析した.これらのシナリオは(i) ベクトル型相互作用のみを仮定し結合定数を設定したベクトル・シナリオ,(ii) 軸性ベクトル型相互作用のみを仮定し結合定数を設定した軸性ベクトル・シナリオ,(iii) ベクトル型と軸性ベクトル型の相互作用の両方を仮定して結合定数を設定した混合シナリオ,の 3 つである.LHC の重心エネルギーは √s = 14 TeV,積分ルミノシティは 3000 fb−1 として解析を行った.本信号事象に対して,標準模型の背景事象は pp → pγp → pjνν¯X であり,ニュートリノ対が消失エネルギーとして発現するものである.

解析には MadGraph5 aMC@NLO [8] を用いてパートンレベルのイベントを生成しシミュレーションを実行することによって,上記 3 つのシナリオに対し,暗黒物質質量 mχ および媒介粒子質量 mZ′ への制限を求めた.

本学位論文は以下の構成に基づく.第 2 章では,素粒子標準模型に登場する粒子とそれらが従うラグランジアンおよび,ボソンとフェルミオンの質量について概観する.その後,標準模型の内包する問題点についていくつかまとめる.標準模型では説明不可能な問題の中でも,特に暗黒物質の候補粒子が不在であることが本研究を行う最大の動機である.そこで,暗黒物質に関する説明と,その中でも特に注目されるWIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) の特徴を述べ,これらが注目される理由としてWIMPs ミラクルについて詳しく言及する.第 3 章では,素粒子物理学と宇宙物理学の進展を支える実験として,暗黒物質の直接探索実験,間接探索実験,加速器実験を紹介する.これらの実験は,暗黒物質の候補粒子を探索するのに大変重要な役目を担っており,それぞれが全く別の手法で暗黒物質の痕跡を探している.現在までのところ,いずれの実験においても暗黒物質の確たる証拠は発見されていない.本学位論文でシミュレーション解析を行なった円形加速器である LHC 実験と前方陽子検出器の特性・設置プロジェクトについて詳しく説明する.第 4 章では,本研究で注目した拡張模型である Simplifed 暗黒物質模型を媒介粒子の崩壊チャネルとスピンに分けて紹介する.この章の終わりには,本研究で用いた 3 つのベンチマーク・シナリオを提示する.第 5 章では,採用したモンテカルロ・シミュレーションの設定と数値解析の結果を示す.これらの解析から得られた,ベクトル型媒介粒子模型の陽子・光子衝突実験で期待される探索可能なパラメータ領域に課される制限を調べ,解析結果を示す.最後に第 6 章で,本論文での結論と考察をまとめる.

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参考文献

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