その６・ダークマター検出の現状について

前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿なし | 投稿日時 2020/3/10 22:11 | 最終変更

 

さてそう言う訳で、
http://www.resceu.s.u-tokyo.ac.jp/symposium/daigaku&kagaku/MINOWA.pdf
我々の銀河系もダークマターの中にあり、そうしてまた太陽系、地球もＤＭの海の中を動いている、そういうのが現在の大方の方の認識の様です。

ダークマターの密度はといえば１ｃｃで水素原子０．３個とのこと。
地球の体積で５００ｇｒだそうです。（上記ＰｄｆのＰ１０～１１）

地球の半径は６３７１Ｋｍ.
体積はＶ＝４/3*PI*(6371)^3=１．０８＊１０＾１２（Ｋｍ＾３）

「ホーキングさんが考えたこと・５」で示した「プランクレベルＢＨがダークマターである説」によればダークマター平均重量はＭｐ/８ということになり、それは２．７２＊１０＾-９（Ｋｇ）でした。
そうなるとダークマター個数ＮはＮ＝０．５/(２．７２＊１０＾-９)=１８３８２３５２９個。
それを体積Ｖで割れば１ｋｍ＾３にいくつのダークマターがあるかわかります。
答えは０．０００１７０２個。

地球がダークマターの海の中を秒速２００ｋｍで移動している（上記ＰｄｆのＰ１６）ので、さて１ｋｍ＾２サイズの検出面をもった検出器には１日で幾つのダークマターが入るでしょうか？
答えは２９４１個。

しかし実際の検出器のサイズは大きくても１０ｍ＊１０ｍでしょうか。
小さければ１ｍ＊１ｍですね。
１０ｍ＊１０ｍでは一日あたり０．２９個、３日で１個ですね。
１ｍ＊１ｍでは１日当たり０．００２９個、１０か月で１個のペースです。

しかもこの低速プランクスケールＢＨは真空や物質とは何の反応も示さず、ただゴミ、ホコリレベルの質量を持つ質点が検出器の中を秒速２００ｋｍで飛んで行くのですから、さてそれをどうやって検出するというのでしょうか？
そう言う訳で、「ダークマターがプランクスケールＢＨであった場合は、地上での直接観測はできないだろう」が答えの様に思われます。

ちなみに人の衝突断面積は０．４～０．５ｍ＾２ぐらいですか。
そうすると我々は２０か月に１度はこのプランクスケールＢＨと衝突している事になります。
・・・
いやいやプランクスケールＢＨの衝突断面積はゼロですから、遭遇はできますが衝突はできません。
これは表現を間違えてしまい、失礼いたしました。

追伸
以下、別のページ「ダークマターは興味深いですね」からダークマター直接観測に関係する部分を引用しておきます。
↓
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/xmass/
XMASS（ダークマター観測実験）
を例として取り上げましょう。
(or http://archive.fo/0pRot　)

『2013年の改修作業後、順調に行われてきた暗黒物質探索用データの取得を完了し、本日XMASS-I検出器から液体キセノンを回収しました。』
液体キセノンが約１トンとの事ですので、比重３．０６から検出球の体積が３２６．８ｍ＾３と分かります。
半径が約４．３ｍで観測断面積（円形）が５７m^2。
https://blog.goo.ne.jp/rokusanasukor/e/ce066626fa54ca5e734b27a4ac2d5470

これですとプランクスケールＢＨを１日で０．１７個の観測が可能。
２０１３年秋から２０１９年２月までで５．５年の稼働として全観測個数は３４１個。

１０００回に一回のキセノンとの反応があったとしても、発光が観測できた確率は３３％程度。
実際は１０００回に一回も反応するとは思えず、ラッキーであったとしても１００００回に一回程度かと。
これだと５．５年動かして１回の発光を観測できた確率は３．３％。

以上が「状況的に難しい」という事の内容になります。

ちなみに当方の主張は「プランクスケールＢＨの衝突断面積はゼロ」ですので、XMASSの様な「物質粒子との衝突を検出するというやり方」では原理的に検出不可能と言う事になります。
つまり「どれだけ大きなXMASSを作ってみてもダークマターは観測できないだろうなあ」と言う事になります。

追伸
この一連の記事はここで終了です。
そうしてこの続きは
・ダークマター検出の現状について・その２
http://fsci.4rm.jp/modules/d3forum/index.php?topic_id=2926#post_id19310
になります。

ご注意
この次の記事は　当方の記事に対する「いやがらせ」ですので　読むに値しません。
記事内容は「単なる自分の本の宣伝」であり、「アマゾンから買えるぞ」と言う「自分の経済的な利益目的の内容」です。

加えて当方からの「内容削除依頼」を無視して現状も掲載を続けています。

従いまして賢明なる読者諸氏におかれましては、ここで上記リンク先にジャンプされる事をお勧め致します。

 

その５・ダークマター検出の現状について

前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿なし | 投稿日時 2020/3/6 16:12 | 最終変更

 

前の記事は超対称性理論によって存在が予想されているニュートラリーノ (neutralino)などのフェルミオンについてのものでした。

これに先立つ事【2014年9月29日 カブリIPMU】の発表によれば
・XMASS実験で、「Super-WIMP」がダークマター候補から外れる
https://www.astroarts.co.jp/news/2014/09/29xmass/index-j.shtml
とあります。

『「ダークマター」の候補の1つが、ボゾン粒子のSuper-WIMP（スーパーウィンプ：極めて弱く相互作用する質量粒子) だ。
この粒子が存在するとすれば、銀河の運動や宇宙背景放射の観測から知られているダークマターの量をうまく説明できるとして、有力候補とされていた。

カブリIPMUの鈴木洋一郎さんらのXMASS実験グループでは、岐阜県飛騨市の地下1000mに設置された「XMASS-I」検出器を用いてSuper-WIMPの兆候をつかまえようとした。
この粒子は地球にも降り注ぎ、まれに物質（検出器内の原子）に吸収されてその静止質量と等しい運動エネルギーをもつ電子を検出器内に放出するとされる。

165.9日分の観測データから、4万～12万eVの質量（電子の質量の10分の1から5分の1程度に相当）を持つ粒子について高感度で探索を行った。
だが粒子による信号は見つからず、この質量範囲のSuper-WIMPが宇宙のダークマターであるというシナリオは正しくないことがはっきりした。』

↑
ダークマターの候補の一つであった「質量が軽くて弱い相互作用をするボゾン粒子」の存在が否定されました。

注１：もうちょっと詳しい説明として
・軽い暗黒物質を世界最高感度で探索 - XMASS実験により極めて弱く相互作用するボゾンが暗黒物質である可能性を排除
https://www.ipmu.jp/ja/node/1998

注２：WIMPの説明として
・なぜ WIMPを探すのか、どうやって捕らえるのか
https://www.ipmu.jp/sites/default/files/webfm/pdfs/news23/02J_FEATURE.pdf

追伸
「未発見の素粒子を探せ」という資料がありました。
http://kagakucafe.org/uematsu090411.pdf
２００９年にアップされている様ですが、その時の状況では
１、重力波未検出
２、ヒッグス粒子未発見
ということでした。
しかしそれ以外の記述についてはダークマターや質量の起源の事に関しても現状でも十分に参考になると思われますので紹介しておきます。

ちなみにその資料のP58に
「130GeV以下のヒッグスが見つかるとーー＞ 超対称性模型が有力」
と書かれてあります。
そうして見つかったヒッグスは「124.97 GeV/c²」でした。
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/00/Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg
↓
超対称性模型が有力
↓
ストーリーとしては「ニュートラリーノが存在し、これがダークマターだ」とつながりそうですね。
↓
セルンでのWIMP：超対称性粒子の検出計画
となりますか。

追伸２
「理論家の皆さんはこんなことを考えてます。」というお話。

・電弱相互作用を行う暗黒物質と直接探索実験（２０１７年）
https://www.lowbg.org/ugnd/workshop/sympo_all/201705_Okayama/slides/22am/nagata.pdf

・熱的暗黒物質における重要な未探査領域
～暗黒物質の直接、間接探査の果たす役割～（２０１８年）
http://www.jicfus.jp/jp/wp-content/uploads/2018/11/Matsumoto.pdf

・超対称性粒子と暗黒物質（２０１７年）
http://www.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/~asai/work/4nen-SUSY2017.pdf

・・・いやはや、すごいですね。

 

その４・ダークマター検出の現状について

前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿.1 .2 | 投稿日時 2020/3/5 19:49 | 最終変更

 

次の探索方法は
３、地下施設でのキセノンやアルゴン原子と暗黒物質の衝突による発光の検出
ですね。

『XMASSは暗黒物質粒子探索のためのXenon MASSive detectorから名付けられました。
検出器は、神岡地下観測施設のホールCに設置されています。・・・』
https://www.ipmu.jp/ja/research-activities/research-program/xmass

『XMASSは単相の液体キセノンを使用した特徴的な検出器で、現存する液体キセノンを使った暗黒物質粒子探索検出器のなかで最大の光量を達成しています。
そのおかげで、多数の有用な結果を発表しました。

XMASS実験は2010年12月から2012年5月まで試験的にデータを収集しました。
その後背景事象を大幅に減少させるように検出器の改良を行い、2013年11月よりデータ収集を再開し、2019年2月に1600日以上にわたる低雑音の有用なデータを収集し実験を終えました。(Last update: 2020/01/06)』

レポート
↓
ダークマターの非弾性散乱の探索
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/xmass/news/article/20190605.html
『ダークマターの非弾性散乱とは、ダークマターがキセノン原子核を跳ね飛ばして速度を与えるだけではなく、原子核のエネルギーを高い状態（励起状態）にする現象のことを云います。
励起状態の原子核はガンマ線を放出して元の状態に戻ります。

この反応が起きるには、ダークマターが「スピン」という物理量を持っている必要があります。
従ってもしこの現象が観測されれば、それはダークマターの発見に留まらず、その性質に迫ることもできます。
未だこのダークマターと原子核の非弾性散乱は観測されていません。

XMASSで用いているキセノンは様々な同位体を含んでいますが、その26%を占める、キセノン129がダークマターと非弾性散乱を起こすことができます。
キセノン129はダークマターによって励起されると、即座に40keVのエネルギーを持つガンマ線を放出します（図1）。

XMASSでは、この現象は「40keVのガンマ線 + 原子核の反跳」として観測されます。
従って観測されるエネルギーは図2のようになります。
ダークマターの質量はある決まった値を持つはずですが、その値は判っていないため、この図のように、ダークマターの信号スペクトルをその可能性のある質量ごとに計算し、実験で得たエネルギースペクトルの中にその信号スペクトル成分が含まれているかを探索しました。』
↑
「ダークマターの質量はある決まった値を持つはずですが、・・・」
これはあくまで超対称性理論によって存在が予想されているニュートラリーノ (neutralino)などの粒子を前提とした話ですね。
当方が主張するような「プランクレベルＢＨ」であったとすると「ダークマターの質量はある決まった値を持つ」とはいえず、上限はありそうですがダークマター全体としては「連続した質量分布をもつであろう」と予想されます。

『具体的にはデータ中の信号スペクトルの強度（事象の頻度に相当）を求め、その強度が有意に0より大きければ、ダークマターの非弾性散乱が観測されたと結論づけることができます。
同時にその質量についての情報も得ることができます。
信号スペクトルの強度が有意でなければ、ダークマターと我々の身の回りの物質（ここでは通常物質と呼びます）の相互作用する確率に上限を与えることになります。

今回、XMASS実験では800.0 日分のデータの中から、この現象を探索しました。
その結果、信号スペクトルの強度は0と矛盾しないことがわかりました。
つまり、残念ながらダークマターの発見はありませんでした。・・・』

↑
現状はＸＭＡＳＳではダークマターは発見されず、イタリアで計画されている「キセノン原子をつかったより大規模な探索実験」（注１）にこの実験に関係したメンバーは合流しているものと思われます。

注１：イタリアのグラン・サッソ山中のXENONnT実験
https://www.ipmu.jp/ja/research-activities/research-program/XENONnT

神戸大学　XENON
http://ppwww.phys.sci.kobe-u.ac.jp/laboratory/dark-matter/xenon.html

XENONnT 実験のためのキセノン純度モニターの開発
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/_pdf/mthesis/2018/master-nkato-190128.pdf
↑
一応前半部がダークマター検出概論みたいな記述になってますので、ご参考までに。

追伸
キセノンを使ったダークマター探索ではダークマターがスピンをもつ事、つまりフェルミオンである事が大前提の様です。
それに対してプランクレベルBHではそのようなスピンは持っていないでしょう。
そのかわりに角運動量ならもつ事が出来ます。
さてその場合、何に対する回転なのでしょうか？
もちろんCMB：宇宙背景放射に対しての回転という事になります。
↓
シュワルツシルト・ブラックホール
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B7%E3%83%A5%E3%83%AF%E3%83%AB%E3%83%84%E3%82%B7%E3%83%AB%E3%83%88%E3%83%BB%E3%83%96%E3%83%A9%E3%83%83%E3%82%AF%E3%83%9B%E3%83%BC%E3%83%AB

そういうわけでプランクレベルBHがダークマターである場合は「キセノン、あるいはアルゴンをつかった衝突による発光現象の検出」というのはあまり期待できる話ではない、という事になりそうです。


http://archive.fo/zbGB2
http://archive.fo/lpD7Y

 

その３・ダークマター検出の現状について

前の投稿 - 次の投稿 | 親投稿 - 子投稿.1 | 投稿日時 2020/3/3 15:20 | 最終変更

 

１、セルンの加速器を使って暗黒物質を生成する。
これについてのもう少し詳しい記事は
「ダークマター」検出へ、欧州の原子核研究機関が新たな実験計画
https://www.afpbb.com/articles/-/3214434
を参照願います。
↑
この話をもうすこし探索してみましょう。
記事中にFASERという検出器が出てきます。
それがセルンのHPで紹介されています。

フェイザー物理学
https://translate.google.com/translate?hl=ja&sl=en&u=https://faser.web.cern.ch/&prev=search
で下段で「物理」をクリック。
以下、グーグル翻訳にて一部引用
↓
何十年もの間、 標準モデル（BSM）を超える物理学の主要な例は、TeVスケールの質量と標準モデル（SM）へのO（1）カップリングを持つ重い粒子でした。
しかし、ごく最近では、はるかに軽く、より弱く結合した新しい粒子に関心が高まっています。
それらの多くの動機の中で、そのような粒子は正しい熱遺物密度の暗黒物質を生み出し、理論と低エネルギー実験の間の顕著な矛盾を解決するかもしれません。
おそらく最も重要なことは、光と弱結合の新しい粒子は、粒子物理学と宇宙論に革命的な影響を及ぼす可能性のある（ものであり）、比較的安価で、小さく、高速な実験によって発見できることです。

注
熱遺物密度の暗黒物質
↑
「高温ビッグバン現象の結果、生成されたダークマター」程度の意味かと思います。

実験について
https://translate.google.com/translate?hl=ja&sl=en&u=https://faser.web.cern.ch/&prev=search
で下段の「実験」をポチッとよろしく。
以下、グーグル翻訳にて一部引用
↓
新しい軽い粒子は、LHCでの陽子と陽子の衝突で常に大量に生成される可能性がありますが、それでも検出は避けられます。
これは、一度生成されると、そのような粒子は陽子ビーム衝突軸に沿って進むため、低バックグラウンド環境で粒子を検出できる実験がないためです。（ヒッグス粒子探索においては、その様な検出器はいままで用意されていなかった。）
新しい物理粒子に関連するまれなイベントを探すとき、よく知られている標準モデル粒子の相互作用からの背景を高度に抑制する必要があります。
一方、新しく軽い長寿命の粒子は、相互作用することなく数百メートルも簡単に移動し、そのような背景から十分に離れた位置で標準モデル粒子、たとえば電子-陽電子対に崩壊することができます。

以上、ご参考までに。

PS
ところで
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/00/Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg
↑
こんな表を眺めていると、なんでhiggsだけがスピンがゼロなんだと、まあ単純素朴にそういう疑問はうかんできますよねえ。

そうして、ダークマターのキセノンやアルゴンを使った「ダークマター衝突ーー＞原子が光を出す実験」では対象のダークマターは「スピンをもつ」と当然の様に想定されている様です。

超対称性
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B6%85%E5%AF%BE%E7%A7%B0%E6%80%A7
より
↓
『超対称性（ちょうたいしょうせい,supersymmetry,SUSY）はボソンとフェルミオンの入れ替えに対応する対称性である。
この対称性を取り入れた理論は超対称性理論などのように呼ばれる。また、超対称性粒子の一部はダークマターの候補の一つである。
・・・
超対称性の存在は、現在までに知られている標準模型の粒子たちに超対称性パートナーが存在することを予言する。
例えば、電子に対してスカラー電子と呼ばれるスピン0で電荷-1を持つ粒子の存在が予言される。』
↓
ということは標準理論でボソンとされている粒子の超対称性フェルミオン版の中のどれかがダークマターであろう、という想定となっている事になります。
つまりその粒子はスピン１/２（？）を持つであろう、ということですね。

どうも一つ忘れていた様です。
皆さんお探しなのは
ニュートラリーノ
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%8B%E3%83%A5%E3%83%BC%E3%83%88%E3%83%A9%E3%83%AA%E3%83%BC%E3%83%8E
の様です。
↓
『ニュートラリーノ (neutralino) は、超対称性理論によって存在が予想されているマヨラナ粒子。
予測される質量は陽子の質量の30～5000倍。
・・・
電荷を持たないボース粒子に対する超対称パートナーであるズィーノ(Z粒子のパートナー)、フォティーノ(光子のパートナー)、中性ヒグシーノ(中性ヒッグス粒子のパートナー)は同じ量子数を持つので混合状態を作り、これがニュートラリーノと呼ばれるフェルミ粒子である。
ニュートラリーノは、弱い相互作用と重力相互作用にのみ関わるので，存在したとしても観測は困難である。
また、最も軽いニュートラリーノは安定な粒子であると考えられる。』

 

 

その２・ダークマター検出の現状について

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１、セルンの加速器を使って暗黒物質を生成する。
これについてのもう少し詳しい記事は
「ダークマター」検出へ、欧州の原子核研究機関が新たな実験計画
https://www.afpbb.com/articles/-/3214434
を参照願います。

２、暗黒物質同士の対消滅で出るγ線の検出＠銀河中心部
については
ガンマ線観測によるダークマター間接探索の現状と CTA 計画における今後の展望
http://astro-wakate.sakura.ne.jp/ss2013/web/syuroku/astropart_05a.pdf
がよろしいかと。

上記文献中に登場するCTAについては稼働し始めた模様です。
The Cherenkov Telescope Array (CTA)
http://www.cta-observatory.jp/

以上、ご参考までに。

追伸
１、セルンの加速器を使って暗黒物質を生成する。
で参照しているセルンの加速器実験で探している粒子として暗黒光子（ダークフォトン）と言うのが出てきます。
それについての参考資料を貼っておきます。
・暗黒物質候補 Axion-like particles および Hidden photon の探索
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/xmass/news/article/20190424.html

『現在の素粒子物理学の標準理論は十分でないと考えられており、それを拡張する様々な理論が提唱されています。
それら理論の多くで、Axion-like particles (ALPs)や暗黒光子 Hidden Photon (HP)等の新粒子が予言されています。
ALPsやHPはまた、暗黒物質の正体ではないかと注目されています。』

同様にニュートラリーノという粒子も加速器実験のテーマとしてでてきますが、これについては後述となります。