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宇宙論的観測によるインフレーションモデルの区別

Research Project

Project/Area Number 11J05622
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理(理論)
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

関口 豊和  名古屋大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)

Project Period (FY) 2011 – 2013
Project Status Completed (Fiscal Year 2013)
Budget Amount *help
¥2,400,000 (Direct Cost: ¥2,400,000)
Fiscal Year 2013: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2012: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2011: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywords観測的宇宙論 / 宇宙マイクロ波背景放射 / インフレーションモデル / 素粒子宇宙論 / インフレーション / 位相欠陥 / 非ガウス性 / 素粒子的宇宙論 / 暗黒物質
Research Abstract

本年度我々は、宇宙初期のインフレーション期に生成されたと考えられている初期揺らぎの性質に対し制限を与えることを中心に研究を行った。そのような初期揺らぎを調べることは、インフレーションを起こすインフラトン場を含め、宇宙初期の高エネルギースケールにおいてどのような量子場が存在するか検証することを可能にするため、宇宙論、素粒子論双方の観点から興味深い分野である。
中でも重点的に行ったのは、宇宙マイクロ波背景放射(CMB)の観測を用いて、初期揺らぎがガウス統計性に従うか検証することである。昨年度に開発した、非ガウス性を持った初期揺らぎの作るCMB非等方マップのしミューレションコードと及びCMB観測衛星であるWilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)の最新データを用いて、等曲率揺らぎの非ガウス性および曲率揺らぎの高次の非ガウス性に対する最適な制限を与えた。前者に関してはこれまでに様々な理論予言が与えられていたが、我々の研究が初めての観測的制限であった。また、得られた制限をアクシオンモデルなどいくつかの代表的な理論モデルに適用し、初期宇宙論および素粒子論に対し有用な知見を与えた。一方、後者はデータを最適に重み付けすることで、同等のデータを用いた他の先行研究に比べ大幅な制限の向上を実現した。
その一方で、論文として発表できたのは採用期間後であるが、将来の21cm線観測を用いた小スケールでの密度揺らぎへの制限の見通しについても昨年に引き続き研究を行った。昨年度までは宇宙再電離前の空間的にほぼ一様な中性水素からのシグナルを考えていたが、本年度はミニハローと呼ばれる星形成を起こさない比較的小さなダークマターハロー中の水素からのシグナルに着目した。我々は、ミニハローからの21cm線を考えることで、小さなスケールでの等曲率揺らぎの振幅についてこれまでの観測の制限を大幅に改善できる可能性を示した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初計画していたCMBのBモード偏光から重力レンズ効果を除去し、インフレーション起源の始原重力波の検出可能性の向上については他の研究者らの先行もあり、達成することができなかった。一方で、、21cm線のなど、CMB以外の観測を用いた小スケールの初期揺らぎの観測可能性についてはおおむね当初の計画程度の内容を達成できた。加えて当初計画にはなかったがインフレーションモデルを区別する上で有用となる、初期揺らぎの非ガウス性の検証において重要な成果を上げることができた。これらを総合した結果、上記のような評価が妥当と考える。

Strategy for Future Research Activity

WMAPやPlanckによるCMB温度揺らぎの全天観測により、大角度スケールにけるCMBパワースペクトルの異方性など一般的なインフレーションモデルでは説明困難なアノマリーが報告されている。他方最近のBICEP2グループによるBモード偏光の初検出により、インフレーションモデルのエネルギースケールはプランクスケールと大きく離れていないことが強く示唆される。このことはインフレーションによる初期揺らぎの生成を通じて、プランクスケールでの未知の物理が大角度スケールでのCMBに影響を与えている可能性を示しているかもしれない。具体的なインフレーションモデルを構築する上で、アノマリーが初期揺らぎ起源か確認することが重要であり、そのためにCMB以外の観測におけるアノマリーの検出可能性が今後の研究方向性の一つとして考えられる。

Report

(3 results)
  • 2013 Annual Research Report
  • 2012 Annual Research Report
  • 2011 Annual Research Report
  • Research Products

    (26 results)

All 2013 2012 2011

All Journal Article (12 results) (of which Peer Reviewed: 11 results) Presentation (14 results)

  • [Journal Article] CMB constraint on non-Gaussianity in isocurvature perturbations2013

    • Author(s)
      日影千秋、川崎雅裕、関口豊和、高橋智
    • Journal Title

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      Volume: 1307 Pages: 7-7

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Optimal constraint on g_NL from CMB2013

    • Author(s)
      関口豊和、杉山直
    • Journal Title

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      Volume: 1309 Pages: 2-2

    • Related Report
      2013 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Isocurvature perturbations in dark radiation2013

    • Author(s)
      川上悦子、川崎雅裕、宮本幸一、中山和則、関口豊和
    • Journal Title

      Proceedings of Science, "VIII International Workshop on the Dark Side of the Universe"

      Volume: 1 Pages: 59-59

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      2013 Annual Research Report
  • [Journal Article] Axion cosmology with long-lived domain walls2013

    • Author(s)
      平松尚志、川崎雅裕、齋川賢一、関口豊和
    • Journal Title

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      Volume: 1 Issue: 01 Pages: 1-41

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2013/01/001

    • NAID

      120005242921

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      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Forecast constraints on cosmic strings from future CMB, pulsar timing and gravitational wave direct detection experiments2013

    • Author(s)
      黒柳幸子、宮本幸一、関口豊和、高橋慶太郎、Joseph Silk
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 87 Issue: 2 Pages: 23522-23522

    • DOI

      10.1103/physrevd.87.023522

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      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Extended analysis of CMB constraints on non-Gaussianity in isocurvature perturbations2013

    • Author(s)
      日影千秋、川崎雅裕、関口豊和、高橋智
    • Journal Title

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      Volume: 1303 Issue: 03 Pages: 20-20

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2013/03/020

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      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Forecast constraints on cosmic string parameters from gravitational wave direct detection experiments2012

    • Author(s)
      黒柳幸子、宮本幸一、関口豊和、高橋慶太郎、Joseph Silk
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 86 Issue: 2 Pages: 23503-23503

    • DOI

      10.1103/physrevd.86.023503

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      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Non-Gaussian isocurvature perturbations in dark radiation2012

    • Author(s)
      川上悦子、川崎雅裕、宮本幸一、中山和則、関口豊和
    • Journal Title

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      Volume: 1207 Issue: 07 Pages: 37-37

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2012/07/037

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      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Production of dark matter axions from collapse of string-wall systems.2012

    • Author(s)
      平松尚志、川崎雅裕、齋川賢一、関口豊和
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 85 Issue: 8 Pages: 105020-105020

    • DOI

      10.1103/physrevd.86.089902

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      2012 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Isocurvature perturbations in extra radiation2012

    • Author(s)
      川崎雅裕、宮本幸一、中山和則、関口豊和
    • Journal Title

      Journal of Cosmology and Astr op article Physics

      Volume: 1202 Issue: 02 Pages: 22-22

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2012/02/022

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Cosmological constraints on dark matter models with velocity-dependent annihilation cross section2011

    • Author(s)
      久野純二、川崎雅裕、郡和範、諸井健夫、中山和則、関口豊和
    • Journal Title

      Physical Review D

      Volume: 83 Issue: 12 Pages: 123511-123511

    • DOI

      10.1103/physrevd.83.123511

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Differentiating CDM and baryon isocurvature models with 21 cm fluctuations2011

    • Author(s)
      川崎雅裕、関口豊和、高橋智
    • Journal Title

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      Volume: 1110 Issue: 10 Pages: 28-28

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2011/10/028

    • Related Report
      2011 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] CMB constraints on non-Gaussianity beyond f_NL2013

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      Exploring the Physics of Inflation
    • Place of Presentation
      Santander, Spain
    • Year and Date
      2013-06-24
    • Related Report
      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] CMB constraints on primordial non-Gaussianity beyond f_NL2013

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      Cosmological perturbations post-Planck
    • Place of Presentation
      University of Helsinki, Helsinki, Finland
    • Year and Date
      2013-06-04
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] CMB Optimal Constraints on Non-Gaussianity in Isocurvature Perturbations2013

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      The Universe seen as by Planck
    • Place of Presentation
      ESTEC, Nordwijk, Netherl and
    • Year and Date
      2013-04-04
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      2013 Annual Research Report
  • [Presentation] Constraints on non-Gaussianity in isocurvature perturbations2013

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      日本物理学会2012年春季大会
    • Place of Presentation
      広島大学
    • Year and Date
      2013-03-27
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  • [Presentation] Primordial non-Gaussianity and cosmic microwave background2013

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      名古屋大学GCOE「宇宙基礎原理の探求」拠点国際会議
    • Place of Presentation
      岐阜都ホテル(招待講演)
    • Year and Date
      2013-03-08
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Reconstruction of curl-type lens potential with 21cm observations2013

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      日本SKAサイエンス会議「銀河進化と遠方宇宙」2013(第1回)
    • Place of Presentation
      コープイン京都
    • Year and Date
      2013-02-21
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Non-Gaussian isocurvature perturbations in dark radiation2012

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      日本物理学会2012年秋季大会
    • Place of Presentation
      京都産業大学
    • Year and Date
      2012-09-12
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] An optimal CMB constraint on isocurvature non-Gaussianity2012

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      「背景放射で拓く宇宙創成の物理-インフレーションからダークエイジまで-」シンポジウム2012
    • Place of Presentation
      高エネルギー研究機構
    • Year and Date
      2012-07-26
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      2012 Annual Research Report
  • [Presentation] Differentiating primordial isocurvature perturbations using 21 cm observations2012

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      日本物理学会2012年春季大会
    • Place of Presentation
      関西学院大学(兵庫県)
    • Year and Date
      2012-03-26
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      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Isocurvature perturbations in extra radiation2011

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      10^<th> International Conference on Gravity, Astrophysics and Cosmology (ICGAC10)
    • Place of Presentation
      Quy Nhon, Vietnam
    • Year and Date
      2011-12-21
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      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Energy spectrum estimation of axion radiation from topological defects2011

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      10^<th> International Conference on Gravity, Astrophysics and Cosmology (ICGAC10)
    • Place of Presentation
      Quy Nhon, Vietnam
    • Year and Date
      2011-12-18
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      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Differentiating CDM and baryon isocurvature perturbations from 21 cm line observations2011

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      Workshop on East-Asian Collaboration for SKA
    • Place of Presentation
      KASI, Daejon, Korea
    • Year and Date
      2011-12-01
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      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Differentiating CDM and baryon isocurvature perturbations from 21 cm line observations2011

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      第23回理論懇シンポジウム
    • Place of Presentation
      国立天文台(東京都)
    • Year and Date
      2011-11-06
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      2011 Annual Research Report
  • [Presentation] Estimation of energy spectrum of axions radiated from axionic strings2011

    • Author(s)
      関口豊和
    • Organizer
      日本物理学会2011年秋季大会
    • Place of Presentation
      弘前大学(青森県)
    • Year and Date
      2011-09-19
    • Related Report
      2011 Annual Research Report

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Published: 2011-12-12   Modified: 2024-03-26  

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