ユニタリー性を鍵とするインフレーション宇宙の観測に基づく超弦理論の検証

• Project/Area Number: 21K13922
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• 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, 理学研究科研究員 (20881890)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
• Keywords: 散乱振幅 / ユニタリー性 / 量子重力 / スワンプランド条件 / インフレーション宇宙

Outline of Research at the Start

超弦理論は、量子重力理論の最有力候補として盛んに研究されてきた一方、その実験的検証の見込みは現在のところたっていない。本研究の目的は、この状況を打破し、超弦理論の実験的検証法の構築である。本研究では特に、現在の技術で探査可能である現象の中で最も高エネルギーな現象であると期待される、インフレーション期の宇宙に着目する。近年私たちの研究によってその正当性が判明した散乱振幅のユニタリー性等に基づく手法をインフレーション理論に適用することで、「超弦理論と整合的なインフレーション模型」と「矛盾する模型」とを判別する条件式を導出し、インフレーション模型への観測的制限と比較することで超弦理論の検証を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の主目的は、2体弾性散乱振幅のユニタリー性・解析性等を用いて定式化される「正値性条件」を重力存在下において導出し、その現象論的帰結を議論することで量子重力理論に基づく現象論を展開することです。2020年度までの研究成果により重力存在下における正値性条件をの成立条件が定量化され、「重力子交換のレッジェ化の詳細に対し作業仮説を課し、その有効理論における現象論的帰結を議論する」ことが可能となります。これは、現象論的帰結の検証を通じ実験的に量子重力のレッジェ振幅の性質に迫る可能性を提示します。

こうした動機のもと2022年度は、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正値性条件を議論しました。その結果かなり普遍的に、光子と暗黒セクター粒子の間の非重力的相互作用（直接結合か別の粒子に媒介される相互作用かなどは問わない）に対して下限が得られると判明しました。
重力子交換のレッジェ振幅の性質を理論的に制限する研究も行いました。我々は、歴史的に強い相互作用におけるレッジェ振幅の文脈で非常に重要な役割を果たした「有限エネルギー和則」に着目しました。この和則を重力レッジェ振幅へ適用し、ユニタリー性・交叉対称性から得られる近年発見された条件「ヌル制限」と組み合わせることで、重力子交換のレッジェ振幅の詳細を理論的に制限しました。特に軽い場のループ補正が無視できる場合には上述の作業仮説が成立することを定量的に示しました。本結果は、現象論的に興味のある４次元時空において、最低時の正値性条件を数係数含めて初めて与えるものです。

本成果を軸に、重力レッジェ振幅の性質の理解を深めることで、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 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 (2023)
  • Author(s): Toshifumi Noumi, Junsei Tokuda
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: -
  • Peer Reviewed / 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
• [Presentation] Gravitational positivity bounds: implications for the swampland program (2023)
  • Author(s): Junsei Tokuda
  • Organizer: Kobe Workshop on Cosmology and Fundamental Physics 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Phenomenological Motivation for Gravitational Positivity Bounds: A Case Study of Dark Sector Physics (2022)
  • Author(s): Junsei Tokuda
  • Organizer: JGRG webinar Series
  • Int'l Joint Research
• [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