Exploring the Early Universe with the Standard Model of Particle Physics

• Project Area: New expansion of particle physics of post-Higgs era by LHC revealing the vacuum and space-time structure
• Project/Area Number: 19H04610
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 鎌田 耕平 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (60835362)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: インフレーション / 再加熱 / ヒッグス粒子 / 電弱真空 / 真空崩壊 / 初期宇宙 / 素粒子標準模型 / ヒッグス場 / 宇宙磁場 / 重力波

Outline of Research at the Start

本研究計画では、素粒子標準模型と一般相対性理論に立ち返り、現在の宇宙を説明するための新物理に必要な要素を詳細に求めること、その問いに対して LHC や将来の素粒子実験や宇宙論的観測の結果からどのような情報を引き出すべきかに関する指針を与えることを目的とする。その目的のため、まずは標準模型のヒッグス場でインフレーションを起こす模型に注目し、素粒子実験や宇宙論的観測から得られた情報から新物理への示唆を引き出すための理論的背景を確固たるものとする。特に、ヒッグスインフレーション模型の高エネルギーでの理論構造を調べ、素粒子実験の結果との比較方法を確立することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

令和2年度は、前年度までに進めてきたHiggs-R^2模型の再加熱過程に関し、これまで考えられてこなかった爆発的な粒子生成による再加熱が完了する可能性に関する研究を行った。インフレーションを起こす場のインフレーション後の場の空間内での運動軌道がポテンシャルの尾根を辿るときのみ爆発的な粒子生成が起こるが、そのためにはパラメータに微調整が必要である。そこで数値的に解析を行い、この微調整の程度を定量的に評価することに成功した。この成果はJournal of Cosmology and Astroparticle Physics誌にて発表された。
また、標準模型ヒッグス場の現在の真空が不安定な可能性がLHCで発見されたヒッグス粒子の質量から示唆されている。もし宇宙初期に小さなブラックホールが生成し蒸発する場合には不安定性が増大し、現在の宇宙が説明できない可能性が指摘されていた。しかしこの評価にはホーキング放射によるヒッグスポテンシャルへの補正が考慮されておらず、それを考慮すれば不安定性はそれほど増大しないのではないかと期待された。そこで適切にポテンシャルの補正を考慮した不安定性の評価を行ったところ、真空不安定性の増大は解消されないことがわかり、初期宇宙における小さなブラックホール生成に制限を与えることに成功した。この成果はJournal of High Energy Physics誌に発表された。
一方で、この評価は虚時間形式で行われていたが、その手法の妥当性に関して疑問があることがわかり、実時間での計算法の開発が望まれた。そこで令和3年度にブラックホールのない場合に関して実時間形式での真空不安定性の評価法の開発に取り組み、信頼のおける計算法の定式化に成功した。この成果はJournal of Cosmology and Astroparticle Physics誌に発表予定である。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Gauge field production and Schwinger reheating in runaway axion inflation (2022)
  • Author(s): Hashiba Soichiro、Kamada Kohei、Nakatsuka Hiromasa
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2022 Issue: 04 Pages: 058-058
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2022/04/058
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Occurrence of tachyonic preheating in the mixed Higgs-R2 model (2021)
  • Author(s): He Minxi、Jinno Ryusuke、Kamada Kohei、Starobinsky Alexei A.、Yokoyama Jun'ichi
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2021 Issue: 01 Pages: 066-066
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/01/066
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Baryon isocurvature constraints on the primordial hypermagnetic fields (2021)
  • Author(s): Kamada Kohei、Uchida Fumio、Yokoyama Jun'ichi
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2021 Issue: 04 Pages: 034-034
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/04/034
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Wash-In Leptogenesis (2021)
  • Author(s): Domcke Valerie、Kamada Kohei、Mukaida Kyohei、Schmitz Kai、Yamada Masaki
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 126 Issue: 20 Pages: 201802-201802
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.201802
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Chiral gravitational effect in time-dependent backgrounds (2021)
  • Author(s): Kamada Kohei、Kume Jun’ya、Yamada Yusuke
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2021 Issue: 5 Pages: 292-292
  • DOI: 10.1007/jhep05(2021)292
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Exploring Physics in the Early Universe through the Intergalactic Void Magnetic Fields (2020)
  • Author(s): 鎌田 耕平
  • Journal Title: Butsuri Volume: 75 Issue: 6 Pages: 329-334
  • DOI: 10.11316/butsuri.75.6_329
  • NAID: 130007925847
  • ISSN: 0029-0181, 2423-8872
  • Year and Date: 2020-06-05
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gravitational waves from primordial magnetic fields via photon-graviton conversion (2020)
  • Author(s): Fujita Tomohiro、Kamada Kohei、Nakai Yuichiro
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 102 Issue: 10 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.103501
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] On catalyzed vacuum decay around a radiating black hole and the crisis of the electroweak vacuum (2020)
  • Author(s): Hayashi Takumi、Kamada Kohei、Oshita Naritaka、Yokoyama Jun’ichi
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 2020 Issue: 8 Pages: 0881-26
  • DOI: 10.1007/jhep08(2020)088
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Renormalization in gravitational leptogenesis with pseudo-scalar-tensor coupling (2020)
  • Author(s): Kamada Kohei、Kume Jun'ya、Yamada Yusuke
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2020 Issue: 10 Pages: 030-030
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/10/030
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gravitational leptogenesis with kination and gravitational reheating (2020)
  • Author(s): Kohei Kamada, Jun'ya Kume, Yusuke Yamada, Jun'ichi Yokoyama
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 01 Issue: 01 Pages: 0161-15
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/01/016
  • NAID: 130008157359
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Magnetogenesis from a rotating scalar: `a la scalar chiral magnetic effect (2020)
  • Author(s): Kohei Kamada and Chang Sub Shin
  • Journal Title: Journal of High Energy Physics Volume: 04 Issue: 4 Pages: 1851-29
  • DOI: 10.1007/jhep04(2020)185
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Wash-in Leptogenesis and its realization (2022)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: 第77回日本物理学会年次大会
• [Presentation] Wash-in Leptogenesis as a New Framework for Baryogenesis (2021)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: PASCOS 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Primordial magnetic fields and baryogenesis at the electroweak crossover (2021)
  • Author(s): 鎌田 耕平
  • Organizer: 新ヒッグス勉強会 第30回定例会
  • Invited
• [Presentation] Wash-in Leptogenesis and its application (2021)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: JGRG30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 初期磁場と素粒子的宇宙論 (2021)
  • Author(s): 鎌田 耕平
  • Organizer: 第34回理論懇シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Towards a robust estimate for gravitational leptogenesis (2020)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: Zooming in on Axions in the Early Universe
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Primordial magnetic field -- Its relationship to cosmology and implication to the IGMF (2020)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: NECO on-line workshop “Probingthe Universe with High and Very High Energy Sources”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Magnetogenesis mechanisms for baryogenesis from hypermagnetic helicity decay (2020)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: Remnants of the Big Bang
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic Fields in the Early Universe (2020)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: KIAS and NRF-JSPS Workshop on Particle, String and Cosmology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Magnetic Fields and Quantum Anomaly in the Early Universe (2020)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: The 3rd Univ. Ryukyus International Symposium. of Theoretical and Computational Science (RIS-TCS 2020). -Frontier of Physics and Chemistry-
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Magnetogeneiss for Baryogenesis from Axion Inflation (2019)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: mini-workshop: Axion Cosmology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Baryon asymmetry from cosmological (hyper)magnetic fields (2019)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: The Mysterious Universe: Dark Matter-Dark Energy-Cosmic Magnetic Fields
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Affleck-Dine Magnetogenesis (2019)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: COSMO19
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Baryon Asymmetry, Chiral Asymmetry, and the Magnetic Fields in the Universe (2019)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: 43rd John Hopkins Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Baryogenesis from cosmological magnetic fields and magnetogenesis (2019)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: 3rd NRF-JSPS Workshop in particle physics, cosmology, and gravitation,
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Baryogenesis from Primordial Helical Hypermagnetic Fields (2019)
  • Author(s): Kohei Kamada
  • Organizer: Baryon and Lepton Violation 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 銀河間磁場のヘリシティ と宇宙の物質反物質非対称 (2019)
  • Author(s): 鎌田 耕平
  • Organizer: 日本 SKA サイエンス会議「宇宙磁場」 2019
• [Presentation] ヘリカル磁場による物質反物質非対称生成 (2019)
  • Author(s): 鎌田 耕平
  • Organizer: 基研研究会 素粒子物理学の進展 2019
  • Invited