Genesis of all matters in the universe from right-handed neutrinos

• Project Area: Unraveling the History of the Universe and Matter Evolution with Underground Physics
• Project/Area Number: 20H05248
• 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: 横山 順一 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (50212303)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: ニュートリノ / インフレーション宇宙論 / バリオン非対称 / ダークエネルギー / ダークマター / レプトン非対称 / 右巻ニュートリノ / 原始ブラックホール / インフレーション / 密度ゆらぎ / ビッグバン

Outline of Research at the Start

現在の宇宙はバリオン5%、コールドダークマター約25%、そして、約70%が宇宙膨張を加速する未知のダークエネルギーによって占められており、これらがどのようにして生成したのか、またバリオンとコールドダークマターの存在量が5倍の範囲で一致しているのはなぜか、そもそもダークマターやダークエネルギーの正体は何なのか、ということが根源的な問題となっています。本研究計画の目的は、近年の宇宙観測・理論の進展を背景とし、右巻マヨラナニュートリノを起源とする宇宙物質総生成を実現する理論を構築することです。

Outline of Annual Research Achievements

宇宙のエネルギーを構成するダークエネルギー、ダークマター、バリオン、放射の全てを矛盾なく説明する理論を構築しました。具体的には、インフレーションとダークエネルギーを一つのスカラー場で説明するクイントエッセンスインフレーションモデルに階層的な質量を持つ３世代の右巻きニュートリノと、ニュートリノの自己相互作用を導く軽いスカラー場を導入し、その存在下で再加熱とレプトン非対称生成を解析しました。最も軽い右巻きニュートリノは、新しい軽いスカラー場の存在下でドデルソン・ウィドロー機構によって生成される暗黒物質候補となるため、これによってダークマターの起源が説明されます。次に軽い右巻きニュートリノは、インフレーション中のハッブルパラメタと同程度かつそれより小さな質量を想定するため、インフレーション後に重力粒子生成によって多数生成されます。そしてその崩壊時にレプトン非対称が生成されます。このとき、最も重い右巻きニュートリノは正味のレプトン非対称生成に必要となるCP対称性の破れをもたらす役割を果たします。この理論での宇宙再加熱の主要部分は、スカラー曲率との非最小結合によってインフレーション後に引き起こされるヒッグス場のスピノーダル不安定性によって説明され、それによってグラビトンの過剰生成とヒッグス場による曲率ゆらぎの過大生成が回避され、観測と整合的な宇宙進化が実現します。生成したレプトン非対称は電弱アノマリーによって一部バリオン非対称に転換され、宇宙のバリオンの起源が説明されます。こうして宇宙の全構成要素が整合的に説明可能となりました。このほか、本研究の前提となるインフレーション宇宙論が観測と整合性を持つために課される量子補正の条件を考察し、非ガウス性パラメタに非常に強い制限が課されることを見いだしました。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ランダウ研究所(ロシア連邦)
• [Journal Article] Generation of neutrino dark matter, baryon asymmetry, and radiation after quintessential inflation (2023)
  • Author(s): Fujikura Kohei, Hashiba Soichiro, Yokoyama, Jun'ichi"
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 107 Issue: 6 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1103/physrevd.107.063537
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Perturbative region on non-Gaussian parameter space in single-field inflation (2022)
  • Author(s): Kristiano Jason、Yokoyama Jun'ichi
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2022 Issue: 07 Pages: 007-007
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2022/07/007
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Vacuum decay in the Lorentzian path integral (2022)
  • Author(s): Hayashi Takumi、Kamada Kohei、Oshita Naritaka、Yokoyama Jun'ichi
  • Journal Title: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume: 2022 Issue: 05 Pages: 041-041
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2022/05/041
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Why Must Primordial Non-Gaussianity Be Very Small? (2022)
  • Author(s): Kristiano Jason、Yokoyama Jun’ichi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 128 Issue: 6 Pages: 061301-061301
  • DOI: 10.1103/physrevlett.128.061301
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Implication of pulsar timing array experiments on cosmological gravitational wave detection (2021)
  • Author(s): Yokoyama Jun’ichi
  • Journal Title: AAPPS Bulletin Volume: 31 Issue: 1 Pages: 17-17
  • DOI: 10.1007/s43673-021-00020-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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] 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] Particle production induced by vacuum decay in real time dynamics (2021)
  • Author(s): Hashiba Soichiro、Yamada Yusuke、Yokoyama Jun’ichi
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 4 Pages: 045006-045006
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.045006
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Dark matter and baryon number generation in quintessential inflation (2020)
  • Author(s): 横山順一
  • Organizer: Japan-Netherlands symposium on Gravity & Cosmology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 右巻ニュートリノによる宇宙物質総生成 (2020)
  • Author(s): 横山順一
  • Organizer: 新学術地下宇宙研究会
• [Presentation] Mixed Higgs R^2 inflation (2020)
  • Author(s): 横山順一
  • Organizer: 7th Korea-Japan workshop on dark energy
  • Int'l Joint Research / Invited