Implications of tensions in the Hubble parameter and sigma_8 for the extension of the standard cosmology and neutrino masses

• Project Area: Exploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrinos
• Project/Area Number: 19H05110
• 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: Saga University
• Principal Investigator: 高橋 智 佐賀大学, 理工学部, 准教授 (60432960)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2020: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: ニュートリノ質量 / ハッブル定数問題 / sigma_8問題 / 揺らぎの振幅問題 / ハッブル定数の問題 / sigma_8の問題

Outline of Research at the Start

近年，プランク衛星による宇宙背景放射の観測データと低い赤方偏移における観測（ハッブル宇宙望遠鏡，弱い重力レンズ等の観測）のデータから得られる「ハッブル定数」「8Mpcスケールの密度揺らぎの振幅（sigma_8)」の値の間に矛盾があることが問題として議論されている．この矛盾は観測における系統誤差等に起因する可能性もあるが，標準宇宙論の拡張を示唆している可能性もある．本研究では，ハッブル定数，及び，sigma_8の問題がどのような標準宇宙論の拡張を示唆しているか，また，そのような拡張された宇宙論の枠組みにおけるニュートリノ質量の宇宙観測からの制限を詳細に調べる．

Outline of Annual Research Achievements

ハッブル定数問題を解決し得るモデルは様々提案されているが、そのようなモデルの代表として、本研究では電子質量が宇宙の再結合時期付近において現在の値と異なっているモデル（電子質量が時間変化するモデル）を考え、このモデルのフレームワークにおける宇宙論観測データからのニュートリノ質量に対する制限を解析した（当該モデルの場合、平坦でない宇宙を考えると、ハッブル定数問題をより解決できるようになるため、非平坦な宇宙も含み解析を行った）。このモデルはハッブル定数問題を解決するために必要な一般的な条件を満たすモデルと考えられるため、このモデルのフレームワークにおける宇宙論的なニュートリノ質量に対する制限は、ハッブル定数問題を解決し得るシナリオにおける一般的な特徴を示すと考えられる。我々はこのモデルにおけるニュートリノ質量の宇宙論的な制限について、プランク衛星による宇宙背景放射、バリオン音響振動、超新星爆発のデータを等を用いてマルコフ連鎖モンテカルロ法による解析を行うことにより調べた。

現在の宇宙論の標準的なモデルであるΛCDMモデルにおいては、宇宙背景放射の揺らぎの観測からニュートリノ質量に対する制限を解析した場合、ハッブル定数とニュートリノ質量は負の相関を持つが、上記のハッブル定数問題を解決し得るモデルにおいては、正の相関を持つことが分かった。そして、ニュートリノ質量に対する宇宙論的な制限がΛCDMモデルの場合より弱くなることを示した。本研究は、ハッブル定数問題がニュートリノ質量の制限に対して影響を与えることを具体的に示したのみでなく、同問題が他の宇宙論的な側面にも影響を与え得ることを示した点でも興味深いと考えられる。

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

• [Int'l Joint Research] University of Helsinki(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] University of Portsmouth(英国)
• [Journal Article] The R^2-Higgs inflation with two Higgs doublets (2022)
  • Author(s): Lee Sung Mook、Modak Tanmoy、Oda Kin-ya、Takahashi Tomo
  • Journal Title: The European Physical Journal C Volume: 82 Issue: 1
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-09978-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Relaxing inflation models with nonminimal coupling: A general study (2022)
  • Author(s): Kodama Tatsuki、Takahashi Tomo
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 105 Issue: 6 Pages: 063542-063542
  • DOI: 10.1103/physrevd.105.063542
  • Peer Reviewed
• [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] Angular correlation as a novel probe of supermassive primordial black holes (2021)
  • Author(s): Shinohara Takumi、Suyama Teruaki、Takahashi Tomo
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 104 Issue: 2 Pages: 023526-023526
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.023526
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] H0 tension without CMB data: Beyond the LCDM (2021)
  • Author(s): Okamatsu Fumiya、Sekiguchi Toyokazu、Takahashi Tomo
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 104 Issue: 2 Pages: 023523-023523
  • DOI: 10.1103/physrevd.104.023523
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Blue-tilted inflationary tensor spectrum and reheating in the light of NANOGrav results (2021)
  • Author(s): Kuroyanagi Sachiko、Takahashi Tomo、Yokoyama Shuichiro
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2021 Issue: 01 Pages: 071-071
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/01/071
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The First Three Seconds: a Review of Possible Expansion Histories of the Early Universe (2021)
  • Author(s): Allahverdi Rouzbeh、... Takahashi Tomo、.... et al
  • Journal Title: The Open Journal of Astrophysics Volume: 4 Issue: 1 Pages: 1-1
  • DOI: 10.21105/astro.2006.16182
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Violation of slow-roll in nonminimal inflation (2020)
  • Author(s): Takahashi Tomo、Tenkanen Tommi、Yokoyama Shuichiro
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 102 Issue: 4 Pages: 043524-043524
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.043524
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Constraints on primordial power spectrum from galaxy luminosity functions (2020)
  • Author(s): Yoshiura Shintaro、Oguri Masamune、Takahashi Keitaro、Takahashi Tomo
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 102 Issue: 8 Pages: 083515-083515
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.083515
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Structure formation with two periods of inflation: beyond PLaIn ΛCDM (2020)
  • Author(s): Enqvist Kari、Sawala Till、Takahashi Tomo
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2020 Issue: 10 Pages: 053-053
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/10/053
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [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 Small Scale Primordial Power Spectrum with 21cm Line Global Signal (2020)
  • Author(s): Yoshiura Shintaro, Takahashi Keitaro, Takahashi Tomo
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 101 Issue: 8 Pages: 083520-083520
  • DOI: 10.1103/physrevd.101.083520
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Towards distinguishing variants of non-minimal inflation (2019)
  • Author(s): Takahashi Tomo、Tenkanen Tommi
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 1904 Issue: 04 Pages: 035-035
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2019/04/035
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Insight into primordial magnetic fields from 21-cm line observation with EDGES experiment (2019)
  • Author(s): Minoda Teppei、Tashiro Hiroyuki、Takahashi Tomo
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 488 Issue: 2 Pages: 2001-2005
  • DOI: 10.1093/mnras/stz1860
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Smallest halos in thermal wino dark matter (2019)
  • Author(s): Ando Shin’ichiro、Kamada Ayuki、Sekiguchi Toyokazu、Takahashi Tomo
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 100 Issue: 12 Pages: 123519-123519
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.123519
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] How can we really understand the inflationary Universe? (2022)
  • Author(s): 高橋智
  • Organizer: Upcoming CMB observations and Cosmology
  • Invited
• [Presentation] Constructing and probing inflationary models (2021)
  • Author(s): Tomo Takahashi
  • Organizer: 27th International Conference of International Academy of Physical Sciences on Advances in Relativity and Cosmology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Does the H0 tension suggest a new physics? (2021)
  • Author(s): Tomo Takahashi
  • Organizer: KMI colloquium, Nagoya University
  • Invited
• [Presentation] 宇宙論はいかにして進展してきたか (2020)
  • Author(s): 高橋智
  • Organizer: 第33回 理論懇シンポジウム「理論天文学・宇宙物理学のブレイクスルー」
  • Invited
• [Presentation] Cosmological bound on neutrino masses in the light of H0 tension (2020)
  • Author(s): 高橋智
  • Organizer: 「ニュートリノで拓く素粒子と宇宙」研究会2020
• [Presentation] A fresh look at H0 tension (2020)
  • Author(s): Tomo Takahashi
  • Organizer: KIAS and NRF-JSPS Workshop on Particle, String and Cosmology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Probing the Primordial Universe with 21cm line (2020)
  • Author(s): Tomo Takahashi
  • Organizer: International KEK-Cosmo and APCosPA Winter School 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Aspects of non-minimal inflation (2019)
  • Author(s): Tomo Takahashi
  • Organizer: The 3rd NRF-JSPS workshop in particle physics, cosmology, and gravitation
  • Int'l Joint Research