Exploring the evolution of the fluctuations and structure of the Universe, and the physics behind it

2019 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Why does the Universe accelerate? - Exhaustive study and challenge for the future -
• Project/Area Number: 15H05889
• 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: Tohoku University
• Principal Investigator: Takahashi Fuminobu 東北大学, 理学研究科, 教授 (60503878)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 樽家 篤史 京都大学, 基礎物理学研究所, 准教授 (40334239) ; 川崎 雅裕 東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (50202031) ; 郡 和範 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, 准教授 (50565819)
• Project Period (FY): 2015-06-29 – 2020-03-31
• Keywords: ダークマター / 原始ブラックホール / アクシオン / 構造形成

Outline of Final Research Achievements

Dark matter played a central role in shaping the structure of the universe, but its identity is shrouded in mystery. In this study, we present the possibility of primordial black holes as a part of dark matter and their formation process, the elaboration of cosmological restrictions on the pair annihilation and decay of dark matter, the new formation process of axions and light dark photon dark matter, a detailed comparison between the Lagrangian perturbation theory and Vlasov-Poisson simulations of the phenomenon called shell crossing during halo formation, the construction of a unified model of inflation and dark matter, and the derivation of restrictions on the isocurvature fluctuations of dark matter and dark energy based on the Swampland conjecture.

Free Research Field

素粒子論的宇宙論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ダークマターは減速膨張期における重力進化によって構造形成を進めることで，現在の宇宙構造を紡ぎ出すという極めて重要な役割を担っている。特に注目すべき点は，構造形成の種となっているのはインフレーション中に作られた密度揺らぎである点である。このように初期宇宙から現在までの宇宙進化をつなぐダークマターの正体に関して，様々な観測からの制限や新たな理論的可能性の提案，更に構造形成進化の解析的な理解において顕著な成果をあげることができた。この研究成果を通じて，我々の宇宙の成り立ちに関して新たな理解を与えることができた。