Displaced tracks as a signal of dark matter co-annihilation: a case study using inert doublet model at $e^+e^-$ collider

宇宙はダークマターと呼ばれる謎めいた物質で満たされています。私たちはそれを見ることも、触れることも、匂いを嗅ぐこともできませんが、その重力が銀河を繋ぎ止め、光の経路を曲げていることから、それがそこに存在することを知っています。それは存在の約4分の1を占めていますが、数十年にわたる探索にもかかわらず、その粒子を一つでも捕らえた実験はこれまで一度もありません。科学者たちは、地下深くで原子に衝突する音を聞いたり、宇宙空間で他のダークマター粒子と衝突した際に放たれるかもしれない光を探したりして、それを見つけようとしてきました。これまでのところ、こうした試みは空振りに終わっています。この沈黙により、研究者たちは異なる可能性を検討するようになりました。おそらくダークマターは、単独で孤独な粒子ではなく、隠れた「家族」の一部なのではないか、という可能性です。このシナリオでは、ダークマターには、重さはほぼ同じだがわずかに異なる、電荷を持った重い親戚が存在するかもしれません。もしこれらの親戚が存在すれば、今日見られるダークマタの量を説明する助けとなりますが、もし機械で捉えることができれば、非常に特殊で奇妙な署名（シグネチャー）を残すことになるでしょう。

物理学者のチームは最近、将来の粒子衝突型加速器を用いて、これら隠れた親戚を見つける方法を調査しました。彼らは、ダークマターが、自身の電荷を持つパートナーと重さがほぼ同一である中性粒子であると示唆する、「イネルト・ダブル・モデル（Inert Doublelet Model）」と呼ばれる特定の理論に焦点を当てました。これらの重さが非常に近いため、電荷を持つパートナーはダークマター粒子へと容易に崩壊することができません。その代わりに、それは最終的に崩壊するまでに驚くほど長い時間を生き延びます。崩壊する際、それはダークマター粒子と、非常に小さく、低速で動く破片を放出します。通常の粒子検出器では、これは電荷を持つ粒子が短距離を移動し、突然停止して消滅し、唐突に終わるかすかな、柔らかい軌跡を残すように見えます。これは「消失トラック（disappearing track）」として知られています。研究者たちは、電子と反物質の相棒を極めて高いエネルギーで衝突させる機械である、将来の電子・陽電子衝突型加速器において、これがどのように見えるかをシミュレーションしました。彼らは、もしこれらの粒子が存在するならば、この特定のタイプの機械こそがそれらを見つけるための完璧な場所であり、現在の実験よりもはるかに鮮明な視界を提供できることを見出しました。

チームはまず、モデルの規則をマッピングし、それが私たちがすでに知っている宇宙の事実と一致することを確認することから始めました。彼らは、提案した粒子が宇宙で観測されている正しい量のダークマターを生み出し、かつ過去の実験によって検出されていないことを確認しました。彼らは、粒子の質量が陽子の質量の約560倍から1,200倍の範囲にある、4つの特定のシナリオ、すなわち「ベンチマーク・ポイント」を特定しました。これらのシナリオでは、ダークマターと電荷を持つパートナーの間の重さの差は非常に小さく、しばしば単一の原子核の重さよりも小さいものです。この極めて小さな差が重要であり、なぜなら、電荷を持つ粒子を通常よりも長く生存させるからです。研究者たちは、これらの特定の質量において、電荷を持つ粒子が検出器の中で数センチメートルからほぼ1メートルの間を移動することを計算しました。この距離は、測定できるほど長い一方で、追跡装置の中で起こるには十分に短い距離です。

これらの粒子が見つけられるかどうかを確認するため、研究者たちは、エネルギーが3テラ電子ボルトの将来の衝突型加速器における、数百万回の衝突をシミュレートしました。彼らは、一対のこれらの電荷を持つ粒子が生成され、その後検出器を通過する特定のイベントを監視しました。電荷を持つ粒子が移動する際、飛行機が飛行機雲を残すように、信号の跡を残します。しかし、粒子はやがて目に見えないダークマターと、非常に柔らかく低速な破片へと崩壊するため、その跡は突然途切れます。研究者たちは、これらの「キンクした（折れ曲がった）」あるいは「消失した」跡を探すためのデジタルフィルターを設定しました。彼らは、跡が衝突の中心から一定の距離を離れて始まり、検出器の内層内で終了することを要求しました。また、跡が曲がったり停止したりする角度が、機械のランダムな不具合ではなく、現実的なものであるほど鋭いかどうかについても確認しました。

彼らのシミュレーション結果は有望でした。4つのシナリオのうち最も軽いものについては、1年間のデータ収集で、機械が1,000件近いこれらの消失イベントを観測すると予測しました。粒子を作るのがより困難な最も重いシナリオであっても、数十件の明確な信号を期待できました。研究は、これらの粒子を見つけられる能力が、それらの重さの正確な差に大きく依存していることを示しました。もし差が小さすぎれば、粒子は生存しすぎて検出器の外へ逃げてしまいます。もし差が大きすぎれば、粒子はあまりに早く崩壊し、観測されるほど遠くまで移動する前に消えてしまいます。スイートスポットは、粒子がセンサーに捉えられる程度にちょうどよく移動する、狭い範囲の中にあります。研究者たちはまた、このタイプの加速器における機械自体の背景ノイズが非常に低いことも指摘しており、これにより、現在の大型加速器の騒がしい環境と比較して、これらの稀なイベントを特定することがはるかに容易になるとしています。

本研究は、消失トラックを探すことが、隠れたダークセクターの概念を検証するための強力な方法であることを結論づけています。研究者たちは物理的な検出器を構築したり実際の実験を行ったりしたわけではありませんが、彼らの詳細なシミュレーションは、もしこれらの粒子が存在するならば、将来の電子・陽電子衝突型加速器がそれらを見つけられることを示しています。この手法は、重さがほぼ、しかし完全には同一ではない粒子の独特な挙動に基づいています。数歩進んでから消える電荷を持つ粒子を探すことで、科学者たちはついにダークマターの家族の姿を捉えることができるかもしれません。この研究は、次世代の粒子物理学実験が、これらの微妙で長寿命の信号を探すように設計されるべきであることを強調しており、それらが科学における最大の謎の一つを解く鍵となる可能性があることを示唆しています。