宇宙論的観測で迫る暗黒物質の素粒子的性質の解明

通过宇宙学观测阐明暗物质方法的基本粒子特性

• 批准号: 12J09838
• 负责人: 青山 尚平
• 金额: $ 1.73万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2012
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2012-04-01 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12J09838/
• 关键词: 暗黒物質; 宇宙マイクロ波背景輻射(CMB); 宇宙大規模構造; ボルツマン方程式; 宇宙論的線形摂動理論; 素粒子の崩壊現象; 暗黒物質の素粒子的性質; 崩壊現象; Planck衛星の観測結果; 宇宙論的線形摂動論

私は現在の宇宙で通常の物質の5倍以上存在し、未知の素粒子である可能性が高いと考えられている暗黒物質の持ちうる性質の1つである崩壊現象に注目した。そして暗黒物質を構成する親の素粒子が、有限の質量と質量0の二種類の素粒子(娘粒子)に崩壊する現象を考えた。まず私はこの崩壊過程を表すボルツマン方程式を求めた。続いて各粒子の分布関数の線形摂動を考え、一様等方成分とそれ以外の摂動成分に分け、各々を数値的に解いた。私は、暗黒物質の寿命や質量比の値を動かすと宇宙膨張の時間発展が変化することに注目し、WMAP衛星によるCMB温度揺らぎ観測データから、寿命と質量比との間の関係に制限を与えた。次に、親粒子や娘粒子の密度ゆらぎなどの摂動量の時間発展を、光子やバリオン（通常の元素）と同時に数値計算し、CMB温度ゆらぎや物質ゆらぎの強度のスケール依存性、すなわちパワースペクトラムを求めた。その結果、寿命が宇宙年齢を越える場合でも、わずかな暗黒物質の崩壊によって物質ゆらぎのパワースペクトラムが減衰すること、この減衰による重力赤方偏移効果によって、CMB温度ゆらぎが新たに生成されることを示した。また宇宙膨張の時間発展の変化によって、CMB温度揺らぎの見かけの典型的サイズが変わることも確認した。私は、これらの効果が、質量比が小さければ小さいほど、また寿命が短ければ短いほど強く表れることを示した。また娘粒子の質量が0になる極限では、寿命は2000億年以上でなければならないことを示した。このように本論文では、私は、暗黒物質が有限質量の娘粒子に崩壊する場合に関して、観測量にどのような影響が及ぶのかを定量的に示し、崩壊に関係するパラメターに対して制限を与えた。

我专注于衰变现象，这是暗物质的可能特性之一，在当前宇宙中，这种质量的存在是正常材料的五倍以上，并且被认为可能是未知的基本颗粒。然后，我们考虑了构成暗物质的母体基本粒子崩溃成两种类型的基本颗粒（子粒子）的现象：有限的质量和0质量。首先，我发现代表这种崩溃过程的玻尔兹曼方程。接下来，考虑每个粒子的分布函数的线性扰动，分为均匀的各向同性成分和其他扰动，并且每种扰动均已数值求解。我注意到，将暗物质的寿命和质量比值移动改变了空间扩展的时间演变，并且基于WMAP卫星的CMB温度波动观察数据，我限制了寿命和质量比之间的关系。接下来，与光子和重子（正常元素）同时计算了扰动量的时间演变，例如父颗粒和子颗粒的密度波动，以及CMB温度波动的强度和材料波动的强度依赖性，即确定功率光谱。结果表明，即使生命超越了宇宙年龄，材料波动的功率谱也会因暗物质的丝毫衰减而减弱，并且这种阻尼的重力红移效应会引起新的CMB温度波动。还证实，空间扩展的时间演变的变化将改变CMB温度波动的明显典型大小。我已经表明，这些效果更为明显，因为质量比越小，寿命越短。这也表明，在女儿颗粒质量达到零的情况下，寿命必须至少2000亿年。因此，在本文中，我定量地证明了观察结果如何影响暗物质腐烂成有限的质量子颗粒，并限制了腐烂所涉及的参数。

项目成果

有限の質量の粒子に崩壊する暗黒物質がつくる密度ゆらぎについて

关于暗物质塌缩成有限质量粒子引起的密度涨落

• 发表时间: 2012
• 作者: M. Moribe;H. Orii;H. Kawano;H. Maeda;青山尚平
• 通讯作者: 青山尚平

Evolution of perturbations and cosmological constraints in decaying dark matter models with arbitrary decay mass products

具有任意衰变质量产物的衰变暗物质模型中的扰动和宇宙学约束的演化

• DOI: 10.1088/1475-7516/2014/07/021
• 发表时间: 2014
• 期刊: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics
• 影响因子: 6.4
• 作者: 青山尚平;関口豊和;市來淨與;杉山直
• 通讯作者: 杉山直

有限の質量の粒子に崩壊する暗黒物質によるPlanck anomaliesの説明可能性について

关于通过暗物质塌缩成有限质量粒子来解释普朗克异常的可能性

• 发表时间: 2013
• 作者: 青山尚平;関口豊和;市來淨與;杉山 直
• 通讯作者: 杉山 直

Constraints on decaying dark matter with finite mass daughter particles from large scale

大尺度有限质量子粒子对衰​​变暗物质的约束

• 发表时间: 2013
• 作者: 青山尚平;関口豊和;市來淨與;杉山 直;古賀経邦,折居英章,河野英昭,前田博,生駒哲一;青山尚平
• 通讯作者: 青山尚平

2つの有限の質量の粒子に崩壊する暗黒物質が観測量に与える影響について

暗物质塌缩成两个有限质量粒子对可观测量的影响

• 发表时间: 2012
• 作者: H. Orii;H. Manabe;H. Kawano;H. Maeda;青山尚平
• 通讯作者: 青山尚平