| Project Area | What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter |
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| Project/Area Number |
20H05851
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高橋 史宜 東北大学, 理学研究科, 教授 (60503878)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 將樹 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (20871106)
川崎 雅裕 東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (50202031)
北嶋 直弥 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (50737955)
殷 文 東京都立大学, 理学研究科, 准教授 (20908719)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥56,030,000 (Direct Cost: ¥43,100,000、Indirect Cost: ¥12,930,000)
Fiscal Year 2024: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000)
Fiscal Year 2023: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000)
Fiscal Year 2021: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000)
Fiscal Year 2020: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
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| Keywords | ダークマター / アクシオン / ダークフォトン / ステライルニュートリノ / ストリングアクシオン / SIMP / 宇宙背景放射 / 重力波 / ソリトン |
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| Outline of Research at the Start |
本研究計画の対象は軽いダークマターであり，WIMP よりも軽い数10GeV から，ド・ブロイ波長が kpc 程度の天文学的なサイズとなるような極めて軽い質量 (1E-22 eV)にいたるまで，約30桁の質量範囲にわたる。その広大な質量領域に遍在する多様な軽いダークマター候補に関し，その生成から現在に至るまでの進化を包括的に調べ上げることで，謎に包まれたダークマターの正体に迫り，その背後にある新たな物理法則を究明することが本計画研究の目的である。
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| Outline of Annual Research Achievements |
北嶋は宇宙初期におけるアクシオンによるダークフォトンの共鳴的生成に関して、従来のモデルの欠点である大きな結合を必要としない新たなシナリオを考案し、線形解析によりその生成量を定量的に明らかにした。川崎はアフレック・ダイン機構による原始ブラックホール生成モデルにおける非一様バリオン数生成
の問題がレプトン数を持ったQボールの生成によって解決できることを明らかにした。山田は、小さい質量を持つダークフォトンはインフレーション中に重力的に生成されダークマターの候補となるが、そのベクトル場の質量がヒッグス機構によって生まれていた場合に分布関数の形がどのように変更を受けるのかを明らかにした。殷はeVダークマター探索手法として、赤外線分光器による直接探索の提案をした。また、eVダークマターの宇宙論的な生成過程として、従来難しいとされた熱生成過程がボーズ増幅を考慮することで可能であるを指摘した。高橋はアクシオンが非熱的に生成したダークフォトンによってダークヒッグスが原点に長く閉じ込められ、そのポテンシャルエネルギーによって初期ダークエネルギーを説明することができることを示した。また、殷、山田とともに、アクシオンダークマターが一次相転移によって質量を獲得する新たな生成機構を提唱した。また北嶋、殷、高橋はインフレーション揺らぎを初期値として持つアクシオンドメインウォールが従来の認識とは大きく異なり特異的な安定性を示すことを発見した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
軽いダークマターの候補としてアクシオン、ダークフォトン、ステライルニュートリノなどが知られているが、本研究班ではこれらの有力候補に関する研究を多角的にすすめることが出来ている。例をあげれば軽いダークフォトンダークマターを生成するのはアクシオンと比べ困難であることが知られている。我々は従来の重力的な生成機構をヒッグス機構による質量生成の場合に拡張したほか、宇宙ひもやアクシオンのダイナミクスからの生成方法に関して研究をすすめており、順調に研究成果をあげることができている。
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| Strategy for Future Research Activity |
北嶋は前述のアクシオンによるダークフォトン生成のモデルに関して、格子シミュレーションを用いた非線形過程の解析を取り入れ、アクシオン及びダークフォトンの残存量をより正確に算出する。また、オシロン形成の可能性を考察する。川崎は初期宇宙で大きなレプトン非対称性の生成するモデルを構築し，大きなレプトン数を持った宇宙における数keVの軽いステライル・ニュートリノの生成を考え，それがダークマターになる可能性を明らかにする。山田は今後も軽いダークマターをどのように検証するかについての研究を継続する。特に近年報告されたアクシオンダークマターの新しい生成メカニズムに関する研究、スピン1をもつ重いダークフォトンが重力によって局所的な配位を取った場合に量子的に重力波を放射して崩壊する過程についての研究を行う。高橋は研究を総括するとともに、QCDアクシオンがダークマターとともにインフレーションダイナミクスに寄与するシナリオの構築を目指す。またアクシオンがドメインウォールを構成する場合の安定性や重力波生成に関して研究をすすめる。
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