宇宙論的観測を用いた， 弦理論等の究極理論の検証・探査

• Project/Area Number: 20J00912
• 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: Kobe University
• Principal Investigator: 徳田 順生 神戸大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 散乱振幅 / ユニタリー性 / 暗黒物質 / 宇宙論 / 重力・宇宙論

Outline of Research at the Start

近年のブラックホール連星等からの重力波直接検出に代表されるように、宇宙を観測する技術の精密化が進んでいる。それに伴い、宇宙を記述する重力理論に対する観測的制限が強まってきている。一方で、この観測的制限と散乱振幅の解析を組み合わせることができれば、重力理論の高エネルギー領域における対称性等の性質に迫ることができると近年判明した。そこで本研究では、重力存在下において散乱振幅解析の適用可能性を明らかにし、重力理論の高エネルギーにおける性質に迫るツールを与えることを試みる。

Outline of Annual Research Achievements

重力存在下におけるpositivity boundの導出法はこれまで全くよく分かっていませんでしたが、2020年度までの研究成果により重力存在下におけるpositivity boundの成立条件が明らかにされました。一方で実際に、素粒子標準模型における光子-光子散乱振幅では、弱い力及び強い力の存在により重力存在下におけるpositivity boundが巧妙に満たされていることが2021年度の研究により分かりました。この状況を受け、2022年度では重力存在下におけるpositivity boundの現象論への示唆の研究を本格的に始動しました。現象論の重要なターゲットとして、暗黒物質を含む暗黒セクターの粒子の探査があります。そこで我々は暗黒セクターの粒子と光子の2体2体散乱に対して重力存在下におけるpositivity boundを議論しました。特に暗黒光子の存在する模型を一例として議論し、光子と暗黒光子間の結合（運動項の混合、または媒介粒子による間接的結合）の強さに対する下限を与えました。その下限の模型毎の示唆は模型の詳細に依存しますが、ある模型に対しては既存/今後の観測結果によって棄却しうるほどに厳しい制限とであることがわかりました。この結果は重力存在下におけるpositivity boundを議論することで、量子重力理論における散乱振幅の性質を実験的に検証できるという興味深い可能性を示しており、探査するパラメータ領域に対する理論的動機を与えます。

本成果を軸に、特に本成果のトップダウン的な理解を具体例で明らかにしていくことで、着実に重力の量子論と低エネルギーにおける場の理論の関係性に対する理解を深めていくことができると期待しています。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Cosmological gravity probes: connecting recent theoretical developments to forthcoming observations (2023)
  • Author(s): Shun Arai et al. (22 authors + Junsei Tokuda),
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: - Issue: 7 Pages: 001-105
  • DOI: 10.1093/ptep/ptad052
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Finite energy sum rules for gravitational Regge amplitudes (2022)
  • Author(s): Toshifumi Noumi, Junsei Tokuda
  • Journal Title: arXiv:2212.08001 Volume: -
  • Open Access
• [Journal Article] Phenomenological Motivation for Gravitational Positivity Bounds: A Case Study of Dark Sector Physics (2022)
  • Author(s): Toshifumi Noumi, Sota Sato, Junsei Tokuda
  • Journal Title: arXiv:2205.12835 Volume: -
• [Journal Article] Indirect detection of gravitons through quantum entanglement (2021)
  • Author(s): Kanno Sugumi、Soda Jiro、Tokuda Junsei
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 104 Issue: 8 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.083516
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gravitational positivity bounds on scalar potentials (2021)
  • Author(s): Noumi Toshifumi、Tokuda Junsei
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 104 Issue: 6 Pages: 1-22
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.066022
  • NAID: 120007165720
  • 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] Noise and decoherence induced by gravitons (2021)
  • Author(s): Kanno Sugumi、Soda Jiro、Tokuda Junsei
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 4 Pages: 044017-044017
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.044017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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
• [Presentation] Gravitational positivity bounds: implications for the swampland program (2023)
  • Author(s): Junsei Tokuda
  • Organizer: Kobe Workshop on Cosmology and Fundamental Physics 2023
  • Invited
• [Presentation] Positivity bounds with gravity from finite energy sum rules (2023)
  • Author(s): Junsei Tokuda
  • Organizer: The 17th Kavli Asian Winter School on Strings, Particles and Cosmology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phenomenological Motivation for Gravitational Positivity Bounds: A Case Study of Dark Sector Physics (2022)
  • Author(s): Junsei Tokuda
  • Organizer: JGRG webinar Series
• [Presentation] Swampland program from amplitudes: gravitational positivity bounds (2022)
  • Author(s): Junsei Tokuda
  • Organizer: KEK-PH2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 重力存在下におけるpositivity boundの理論的側面 (2022)
  • Author(s): 徳田順生
  • Organizer: 日本物理学会 素粒子論領域
• [Presentation] Swampland conditions from positivity bounds (2022)
  • Author(s): Junsei Tokuda
  • Organizer: International workshop “Dawn of Gravitational wave Cosmology and Theory of Gravity”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Swampland conditions from positivity bounds (2022)
  • Author(s): Junsei Tokuda
  • Organizer: 2022 Winter NRF-JSPS Workshop in particle physics, cosmology, and gravitation
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] S行列のユニタリー性に基づく、スカラー場のポテンシャルへの量子重力的制限 (2021)
  • Author(s): 徳田順生
  • Organizer: 日本物理学会 宇宙線・宇宙物理領域
• [Presentation] スカラー場のポテンシャルに対するPositivity Bound (2021)
  • Author(s): 徳田順生
  • Organizer: 日本物理学会 素粒子論領域
• [Presentation] Quantum gravity constraints on scalar potentials from positivity bounds” (2021)
  • Author(s): Junsei Tokuda
  • Organizer: Strings and Fields 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Positivity bounds on low-energy gravitational EFTs (2020)
  • Author(s): Junsei Tokuda
  • Organizer: Strings and Fields 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gravitational positivity bounds (2020)
  • Author(s): Junsei Tokuda
  • Organizer: JGRG Webinar Series
• [Presentation] スカラーテンソル重力に対するPositivity Boundとその理論的側面 (2020)
  • Author(s): 徳田順生
  • Organizer: 日本物理学会 宇宙線・宇宙物理領域