Extended theories of gravity from fundamental physics and their observational tests

• Project/Area Number: 19J00895
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 青木 勝輝 京都大学, 基礎物理学研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 重力理論 / 宇宙論 / 量子重力理論

Outline of Research at the Start

本課題の目的は、現代宇宙論に残された問題点を検証することで重力の基礎理論のもつ基本性質を検証することである。具体的には時空を記述する幾何に注目し、重力理論をスピン2の場の理論と解釈した場合と曲がった時空の理論として解釈した場合で有効理論に現れる相互作用にどのような違いが現れるかを明らかにする。また、散乱振幅の議論を用いて、ローレンツ不変性などといった基礎物理のいくつかの性質が有効理論の相互作用に与える制限を導く。どちらの課題においても理論的な定式化が終了した後には具体的な模型に基づいた現象論を解析し、実際の観測によって上記らの基礎理論から得られる予言が検証可能かまで一貫して行う。

Outline of Annual Research Achievements

一般相対論の正しさは太陽系実験や重力波観測により確かなものとなっているが、一般相対論自体は究極の物理法則ではなく、背後に潜む量子重力理論の低エネルギー有効理論であると広く理解されている。理論物理学のゴールの１つである量子重力理論の正体に迫るためには、幅広いエネルギースケールでの重力理論の検証及び実際に検証される低エネルギー有効理論と量子重力理論の関係を明らかにする必要がある。本課題では散乱振幅のユニタリー性といった基本性質から得られる整合性条件である正値性条件を用いて、素粒子標準模型と一般相対論の整合性条件を調査した。その結果、素粒子標準模型と一般相対論の正しさは10^16 GeVよりも低いエネルギースケールにおいて新物理が存在しなければならないことを示唆することが明らかとなった。一方、宇宙にはインフレーションやダークエネルギーといった標準物理では説明できない未解決問題が見つかっており、これらの正体を明らかにするために様々な実験・観測が行われている。正値性条件はインフレーション、ダークエネルギーなどを説明する宇宙論的有効理論と量子重力理論の間の整合性条件を導くと期待されるが、様々な理論的難解さにより両者の間の整合性条件を導くことは現状できていない。このような状況のため本課題ではトイモデルとして具体的な基礎理論のそこから得られる宇宙論的有効理論の間にある整合性条件を詳細に調べ、その結果、通常の正値性条件から期待される条件は宇宙論的有効理論においては成り立たないことを発見した。しかしながら、基礎理論と宇宙論的有効理論の間には確かに非自明な整合性条件が存在しており、様々な現象論的示唆を導くことを明らかにした。その他にも宇宙論的有効理論の新たな定式化といった研究に取り組んだ。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ケンブリッジ大学(英国)
• [Int'l Joint Research] Universite de Paris(フランス)
• [Journal Article] The effective field theory of vector-tensor theories (2022)
  • Author(s): Aoki Katsuki、Gorji Mohammad Ali、Mukohyama Shinji、Takahashi Kazufumi
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2022 Issue: 01 Pages: 059-059
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2022/01/059
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Non-uniqueness of massless transverse-traceless graviton (2021)
  • Author(s): Aoki Katsuki、Di Filippo Francesco、Mukohyama Shinji
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2021 Issue: 05 Pages: 071-071
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/05/071
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Is the Standard Model in the Swampland? Consistency Requirements from Gravitational Scattering (2021)
  • Author(s): Aoki Katsuki、Loc Tran Quang、Noumi Toshifumi、Tokuda Junsei
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 127 Issue: 9 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.127.091602
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Positivity vs. Lorentz-violation: an explicit example (2021)
  • Author(s): Aoki Katsuki、Mukohyama Shinji、Namba Ryo
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2021 Issue: 10 Pages: 079-079
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/10/079
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Shift-symmetric SO(N) multi-Galileon (2021)
  • Author(s): Aoki Katsuki、Manita Yusuke、Mukohyama Shinji
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2021 Issue: 12 Pages: 045-045
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/12/045
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Inflationary gravitational waves in consistent D → 4 Einstein-Gauss-Bonnet gravity (2021)
  • Author(s): Aoki Katsuki、Gorji Mohammad Ali、Mizuno Shuntaro、Mukohyama Shinji
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2021 Issue: 01 Pages: 054-054
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/01/054
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ghost from constraints: a generalization of Ostrogradsky theorem (2020)
  • Author(s): Katsuki Aoki, Hayato Motohashi
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 08 Issue: 08 Pages: 1-35
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/08/026
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Consistent inflationary cosmology from quadratic gravity with dynamical torsion (2020)
  • Author(s): Aoki Katsuki、Mukohyama Shinji
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2020 Issue: 06 Pages: 004-004
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/06/004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A consistent theory of D→4 Einstein-Gauss-Bonnet gravity (2020)
  • Author(s): Aoki Katsuki、Gorji Mohammad Ali、Mukohyama Shinji
  • Journal Title: Physics Letters B Volume: 810 Pages: 135843-135843
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2020.135843
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cosmology and gravitational waves in consistent D→ 4 Einstein-Gauss-Bonnet gravity (2020)
  • Author(s): Aoki Katsuki、Gorji Mohammad Ali、Mukohyama Shinji
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2020 Issue: 09 Pages: 014-014
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/09/014
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Minimally modified gravity fitting Planck data better than Lambda CDM (2020)
  • Author(s): Aoki Katsuki、De Felice Antonio、Mukohyama Shinji、Noui Karim、Oliosi Michele、C. Pookkillath Masroor
  • Journal Title: The European Physical Journal C Volume: 80 Issue: 8 Pages: 1-19
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-020-8291-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gravitational positivity bounds (2020)
  • Author(s): Tokuda Junsei、Aoki Katsuki、Hirano Shin’ichi
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2020 Issue: 11 Pages: 1-39
  • DOI: 10.1007/jhep11(2020)054
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nonlinearly ghost-free higher curvature gravity (2020)
  • Author(s): Aoki Katsuki
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 102 Issue: 12
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.124049
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ghostfree quadratic curvature theories with massive spin-2 and spin-0 particles (2019)
  • Author(s): Aoki Katsuki , Mukohyama Shinji
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 100 Issue: 6 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.064061
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] The Effective Field Theory of Vector-Tensor Theories (2022)
  • Author(s): Katsuki Aoki, Mohammad Ali Gorji, Shinji Mukohyama, Kazufumi Takahashi
  • Organizer: Dawn of Gravitational-wave Cosmology and Theory of Gravity
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The Effective Field Theory of Vector-Tensor Theories (2022)
  • Author(s): 青木勝輝, Mohammad Ali Gorji, 向山信治, 高橋一史
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
• [Presentation] Positivity vs. Lorentz-violation (2021)
  • Author(s): Katsuki Aoki, Shinji Mukohyama, and Ryo Namba
  • Organizer: 8th Korea-Japan workshop on Dark Energy
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] UV consistency of gravitational and cosmological EFTs (2021)
  • Author(s): Katsuki Aoki, Tran Quang Loc, Shinji Mukohyama, Ryo Namba, Toshifumi Noumi, and Junsei Tokuda
  • Organizer: AAPPS-DACG Workshop 2021 on Astrophysics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Positivity vs. Lorentz-violation (2021)
  • Author(s): Katsuki Aoki, Shinji Mukohyama, and Ryo Namba
  • Organizer: JGRG30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Is the Standard Model in the Swampland? (2021)
  • Author(s): Katsuki Aoki, Tran Quang Loc, Toshifumi Noumi, and Junsei Tokuda
  • Organizer: Strings and Fields 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-linearly ghost-free higher curvature gravity (2021)
  • Author(s): Katsuki Aoki
  • Organizer: Geometric Foundations of Gravity 2021, University of Tartu
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Is the Standard Model in the Swampland? (2021)
  • Author(s): 青木勝輝, Tran Quang Loc, 野海俊文, 徳田順生
  • Organizer: 日本物理 学会秋季大会
• [Presentation] Positivity Bounds on Standard Model and General Relativity (2021)
  • Author(s): 青木勝輝, Tran Quang Loc, 野海俊文, 徳田順生
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] Consistent inflationary cosmology from quadratic gravity with dynamical torsion (2020)
  • Author(s): 青木勝輝
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] Non linearly ghost free higher curvature gravity (2020)
  • Author(s): 青木勝輝
  • Organizer: Online JGRG2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Scalar-tensor theories beyond Riemannian (2019)
  • Author(s): Katsuki Aoki and Keigo Shimada
  • Organizer: Beyond General Relativity, Beyond Cosmological Standard Model
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quadratic curvature theory with a non-ghost massive spin-2 particle in Riemann-Cartan geometry (2019)
  • Author(s): Katsuki Aoki and Shinji Mukohyama
  • Organizer: COSMO19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ghostfree quadratic curvature theory with massive spin-2 and spin-0 particles (2019)
  • Author(s): Katsuki Aoki and Shinji Mukohyama
  • Organizer: 6th Korea-Japan workshop on dark energy at KMI
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 計量アフィン形式におけるスカラーテンソル理論と射影対称性 (2019)
  • Author(s): 青木勝輝，嶋田圭吾
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
• [Remarks] 京都大学基礎物理学研究所 重力物理学研究センター
  • URL: https://www2.yukawa.kyoto-u.ac.jp/~cgp/jp/index.html
• [Remarks] 京都大学基礎物理学研究所 重力物理学研究センター
  • URL: http://www2.yukawa.kyoto-u.ac.jp/~cgp/jp/index.html