Probing dark energy using redshifted 21 cm line observations

• Project Area: Why does the Universe accelerate? - Exhaustive study and challenge for the future -
• Project/Area Number: 18H04339
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization (2019); The University of Tokyo (2018)
• Principal Investigator: 関口 豊和 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 研究員 (30584750)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2019: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2018: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
• Keywords: 観測的宇宙論 / 赤方偏移21cm線 / 暗黒エネルギー / 加速宇宙 / インフレーション / 赤方偏移21cm輝線

Outline of Annual Research Achievements

赤方偏移21cm輝線観測を用いた宇宙論モデルの探査可能性、暗黒エネルギーや宇宙の曲率のハッブル定数観測への影響について主に研究を行った。
赤方偏移21cm輝線観測による宇宙論モデルの探査可能性については、まずアクシオン暗黒物質について、本研究で定式化したミニハローを源とする赤方偏移21cm輝線のパワースペクトルを用いた探査可能性を調べた。アクシオンを生み出すPeccei-Quinn相転移が起こる時期に応じて、暗黒物質の密度パワースペクトルに特徴的なピークが生じる事が知られていた。我々は、そのようなピークが赤方偏移21cm輝線パワースペクトルで探査可能であり、アクシオン暗黒物質シナリオにおいてこれまで探査できていない領域で制限を与えることを示した。また、暗黒物質の標準的なモデルであるWeakly interacting massive Particleについて、その対消滅が赤方偏移21cm輝線に与える影響についても研究を行った。先行研究では解析的にモデル化されていた暗黒物質の非一様性からのブースト効果について、詳細なN対シミュレーションを行い理論予言を改善するとともに、近年のEDGES観測のデータを用いて、制限を見積もった。
他方、暗黒エネルギーや宇宙の曲率については、近年問題となっているハッブル定数の間接測定と直接測定間の不一致に焦点をおいて研究を行った。我々は電子質量が時間変化する可能性に着目し、宇宙が正の曲率を持つ場合ハッブル定数測定間の不一致が解決することを示した。宇宙の曲率の役割を暗黒エネルギーで賄うことを検討し、暗黒エネルギーが宇宙膨張を直接変えてしまい、バリオン音響振動やIa型超新星など低赤方偏移での距離測定に影響を与えることから困難であることも示した。ハッブル定数測定が大きな影響を与えるニュートリノ質量への制限についても研究を行った。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Institute for basic science(韓国)
• [Int'l Joint Research] University of Helsinki(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] University of Portsmouth(英国)
• [Journal Article] Probing axion dark matter with 21cm fluctuations from minihalos (2021)
  • Author(s): Kadota Kenji、Sekiguchi Toyokazu、Tashiro Hiroyuki
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 2 Pages: 023521-023521
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.023521
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Early recombination as a solution to the H0 tension (2021)
  • Author(s): Sekiguchi Toyokazu、Takahashi Tomo
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 8 Pages: 083507-083507
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.083507
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cosmological bound on neutrino masses in the light of H0 tension (2021)
  • Author(s): Sekiguchi Toyokazu、Takahashi Tomo
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 8 Pages: 083516-083516
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.083516
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Constraints on decaying dark matter from weak lensing and cluster counts (2020)
  • Author(s): Enqvist Kari、Nadathur Seshadri、Sekiguchi Toyokazu、Takahashi Tomo
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2020 Issue: 04 Pages: 015-015
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/04/015
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Probing primordial non-Gaussianity with 21 cm fluctuations from minihalos (2019)
  • Author(s): Sekiguchi, Toyokazu and Takahashi, Tomo and Tashiro, Hiroyuki and Yokoyama, Shuichiro
  • Journal Title: JCAP Volume: 1902 Issue: 02 Pages: 33-33
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2019/02/033
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Probing dark energy and inflation with 21cm line observations (2019)
  • Author(s): Toyokazu Sekiguchi
  • Organizer: JSPS-FAPESP workshop on dark energy, dark matter and galaxies
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 赤方偏移21cm線を用いた 初期ゆらぎの探査可能性について (2018)
  • Author(s): Toyokazu Sekiguchi
  • Organizer: 新学術「加速宇宙」A01班「インフレーション」小研究会
  • Invited