Extension of the standard model based on scale invariance and its verification trough gravitational waves

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K03844
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: University of Toyama
• Principal Investigator: Kubo Jisuke 富山大学, 理学部, 客員教授 (40211213)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 素粒子論 / スケール不変生 / 重力波 / 宇宙相転移 / 宇宙のインフレーション

Outline of Final Research Achievements

In order to explain simultaneously the origin of elementary particle mass, dark matter mass, and Planck mass, we have extended, based on scale invariance, the Standard Model for particle physics and Einstein's theory of gravity. We have investigated whether gravitational wave background generated by the scale phase transition in the early Universe can be detected in the frequency band from space detectors to ground detectors. As a result, it is found that it is possible to detect the gravitational wave background in the European BBO experiment
if the observation continues for more than 5 years, but it is very difficult in the DECIGO experiment in Japan. We also found that a realistic dark matter candidate can exist, and that the Nambu-Goldstone boson, which occurs when scale invariance is spontaneously broken, plays the role of an the inflaton in the inflationary expanding Universe.

Free Research Field

素粒子論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

暗黒物質を含めた素粒子の質量の起源は何かは分かっていない。質量次元があるパラメータを持つ理論では答えは見出せない。従って、質量次元がないパラメータを持つ理論（スケール不変な理論）に基づいて質量の起源を追求することは、ごく自然な方向である。当研究では、スケール不変性を指導原理とし素粒子の質量がダイナミカルに生成されるよう標準理論を拡張した。現実の世界にはスケールが存在しているので、スケール不変性は自発的に破れていなければならない。この自発的破れが宇宙初期に起こったとすると、それは相転移として起こり重力波が生成される。この重力波が将来の実験において観測可能かを調べることは、意義がある研究である。