2015 Fiscal Year Annual Research Report
一般的なスカラー場理論を用いた初期宇宙モデルの構築と重力波による観測的峻別
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15J04044
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| Research Institution | Rikkyo University |
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Principal Investigator |
西 咲音 立教大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 初期宇宙 / 修正重力理論 / 重力波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初期宇宙モデルとして広く一般的に考えられているインフレーションというものがあるが、本研究ではその代替モデルとして知られているGalilean Genesis と呼ばれるモデルに着目している。Genesisモデルでは通常のインフレーションで起きる問題を容易に解決できるため、Genesisとインフレーションの観測的峻別を行うことは大変有用である。そこで本研究では数多くあるGenesisモデルを一般化したものを用いて様々な観測的予言を行うことを目的としている。
通常インフレーションにおけるシナリオでは、インフレーションと呼ばれる加速膨張の時期が終わり次の時期へ遷移する際に宇宙の温度が上昇する再加熱と呼ばれる時期があるが、ここでは物質の生成が行われると考えられており、その生成のメカニズムや生成量はどのような初期宇宙モデルを想定するかで異なる。そこで、インフレーションから再加熱というシナリオをGenesisから再加熱とした場合を想定し、どれほど物質が生成されるのかや宇宙の温度がどれほどになるのかの検討とインフレーションとの比較を行った。この結果から、Genesis期の終了時における宇宙の膨張率がインフレーションのものより小さい場合でもインフレーションと同程度の宇宙の温度に達するということがわかった。
この結果から、さらに原始重力波のパワースペクトルが導出され、このシナリオではインフレーションの場合と大きく異なる形のスペクトルが得られた。このGenesisモデルでのスペクトルは現在稼働している検出器より高い周波数帯で大きな値をとるため、将来このような周波数帯での重力波観測が行われることを期待する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
27年度の研究課題を研究実施計画に記したように予定通り進められた。論文として当初の計画よりも早い１月に公開することができ、Journal of Cosmology and Astroparticle Physicsにて査読済みで掲載されている。さらに本研究について国外国内での学会発表を行うことができた。
研究実施計画では初めに簡単なモデルで議論し必要とされた場合により複雑な状況を仮定していくとされていたが、複雑な状況を仮定せずに簡単なモデルでGenesisとインフレーションの大きく異る特徴を見ることができたため計画通りに課題を進められたのだと思われる。また、Mathematicaを用いた数値解析が必要とされていた一部の計算を解析的手法で行うことができ、一般化されたモデルのまま包括的に議論を行うことができたという点も計画通りに課題を進めることができた理由として考えられる。
現在では今後の研究課題に挙げる内容を進めている状況であるため本研究課題は順調に進展していると評価するが、本年度は予期しない事態も見据え、よりすみやかに課題を進めることを目標としたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究ではGenesisとインフレーションの比較のために再加熱期への遷移の検討と原始重力波について議論を行った。Genesisは一般化されたモデルを用いているが、具体的にどのようなモデルで宇宙が表され得るかを検討するには重力波だけでなく他の観測量についても調べる必要がある。そこで次に注目されるものが非ガウス性である。
通常ゆらぎの分布はGaussianとして表されるが、Gaussianからずれがある場合はこれを非ガウス性と呼ばれる量で表すことができる。非ガウス性は初期宇宙モデルにより異なる値を取ることが知られており、Genesisについてもどれほどの非ガウス性が生じるのかを議論することはモデルの峻別のため非常に有益であると考えられる。非ガウス性の計算は主に解析的に行い、複雑な部分はMathematicaにより数値的に解くという手法をとる。GenesisはHorndeski理論と呼ばれる一般化された単一スカラー場の修正重力理論を用いて記述されるが、この広い枠組みであるHorndeski理論を用いて非ガウス性の議論に必要な数式は定式化されている。このため計算は現時点でもある程度進められており、6月までには終了する予定である。さらに物理的解釈等の議論を行い10月までに論文としてまとめることを計画している。
また、特定のGenesisモデルにおいて更なる拡張の可能性が指摘されている。27年度に議論されたような原始重力波について、スペクトルの変更が可能となるというものである。この指摘によりGenesisでは必ず同様のスペクトルが得られるわけではないと考えられるため、一般化されたモデルにおいても拡張を行いスペクトルの変更を検討する必要がある。
この議論において計算は解析的に行い、本年度の2月までに大方の計算を終了し論文としてまとめる段階へ進めることを計画している。
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