2022 Fiscal Year Research-status Report
Cosmological Research in Axion Physics: Phenomenology of Parity-Violation in Polarized Photon
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19K14702
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
小幡 一平 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任研究員 (50823621)
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| Project Period (FY) |
2021-11-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 宇宙論 / アクシオン / インフレーション / 暗黒物質 / 暗黒エネルギー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、未発見の素粒子であるアクシオンが引き起こす光子のパリティ対称性の破れに着目し、宇宙論の枠組みで将来の実験観測から検証を行える手段を開拓することである。当該年度に実施した本研究に関する課題について、主に以下の3つを遂行することができた。
（１）最新のCMB観測データを用いたアクシオンインフレーション模型の制限：アクシオンが宇宙初期に光子の様なゲージ場と結合していると、ゲージ場の偏光一成分が増大して原始密度揺らぎや重力波を生成し、CMB実験で観測できる可能性がある。私は国内外の共同研究者らと協力し、PlanckとBICEP/Keckの最新のデータを使ってアクシオン模型のパラメータ領域の制限を行った。この成果は国際的な科学雑誌であるJCAPに掲載された。
（２）CMB偏光の複屈折効果を用いたアクシオン探査：近年、Planck衛星のデータからCMBの偏光面が宇宙進化の過程で回転している（複屈折効果）兆候が得られ、素粒子の標準模型では説明できない新物理の存在を示唆している。この結果を受け、私は超弦理論由来のアクシオンが宇宙の暗黒エネルギーを担っている場合にこの観測結果を説明できる可能性があることを共同研究者と提唱した（JCAP掲載済み）。
（３）Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment（DANCE）実験の初めての測定結果：2021年5月にDANCEのプロトタイプ実験の最初の測定がなされ、得られたデータから信号や雑音の抽出・解析をし、アクシオン暗黒物質と光子の結合定数の探索を実験チームらと行なった。得られた制限は当初の目標感度に比べると小さいものの、この成果は強磁場を用いない光共振器によるアクシオン観測では史上初の実験結果である。この研究成果は現在、科学雑誌であるPhysical Review Dに投稿中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は、研究課題である(1)宇宙初期 (2)宇宙後期 双方のアクシオン探査に関して進展があり、２本の論文を科学ジャーナルに出版することができた。私は２０２０年から２０２２年にかけて、海外特別研究員制度を利用してドイツのマックスプランク宇宙物理学研究所（受入研究者：小松英一郎, 所長）に滞在していた。その間、本研究基金を中断していたが、本研究に関連したいくつかの課題を継続し、海外の研究者達とのネットワークも構築することができた。実際、【研究実績の概要】欄で述べた当該年度の業績のうち、上2つは海外の共同研究者との成果である。
本年度の研究課題のうち、CMB偏光の複屈折効果の観測に関する研究はドイツ滞在中に取り組み始めたもので、当初においては想定していなかった。この観測結果が本当であれば、宇宙の大きなスケールでパリティ対称性が破れている必要があるため、本研究がますます重要な意味を持ってくる。また、本研究において重要な課題の一つであるDANCE実験は、学術変革領域研究「ダークマターの正体は何か？広大なディスカバリースペースの網羅的研究」（領域代表者：村山斉 教授）の研究領域である「レーザー干渉計班」の課題の１つに採択され、２０２５年度まで巨額の資金援助を受けることができるようになった。
当該年度は4つの研究会（うち、3つは招待講演）に参加し、本研究課題の発表を行った。それとは別に、海外の大学・研究所でいくつか本研究課題に関するセミナー発表も行った。また、上記の学術変革領域に関連した研究会である "Very Light Dark Matter 2023" にも世話人の一人として参加し、本研究課題のコミュニティの更なる拡大を行うことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）宇宙初期の研究：これまでは主に、原始重力波（テンソル型揺らぎ）の統計的非ガウス性の生成機構に着目した研究を行ってきたが、インフレーション期のアクシオン-ゲージ場の相互作用は原始密度揺らぎ（スカラー型揺らぎ）の統計的非ガウス性も生成する。しかしながら、テンソル型揺らぎとは異なり、スカラー型揺らぎの非ガウス性のパリティ対称性の破れはより高次の統計量（４点相関関数）からしか見つけることができない。次年度では、アクシオンのインフレーション模型から予言されるスカラー型揺らぎの４点相関関数を解析し、パリティ対称性の破れが将来の観測から検証できるのかを明らかにする。また、スカラー型揺らぎに由来するパリティ対称性の破れについて、近年の宇宙大規模構造の観測データから銀河の４点相関関数の解析を行なったところ、パリティ対称性が破れている兆候が報告された。そこで、本研究から得られた結果が宇宙大規模構造のパリティ対称性の破れも説明できる可能性があるのかどうかも調べる予定である。
（２）宇宙後期の研究：Planckの観測データから得られたCMB偏光の複屈折効果を説明できるシナリオとして、これまでの研究ではアクシオンが複屈折を生み出す理論模型の開拓を行なってきた。しかしながら、光子のパリティ対称性を破るChern-Simons相互作用と結合する場は、アクシオンだけではなく標準模型の素粒子の複合演算子でも与えることができる。例えばニュートリノは光子と量子論的効果でパリティを破る相互作用をし、宇宙のニュートリノ背景場がその進化の過程で偏光回転を生み出す可能性がある。次年度では、アクシオンのような新物理を持ち出すことなく、既知である素粒子標準模型の有効理論の枠内でCMBの複屈折効果は本当に説明できないのかを共同研究者らと新たに検証する。またそれと並行して、アクシオンによる理論模型の開拓もこれまで通り行う。
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| Causes of Carryover |
私は2022年10月から現職に着任し、当該年度の半年の期間で本研究基金を利用した出張を一度行った。招待講演など他にもいくつかの出張は行ったが、旅費などは全て先方の負担で行うことができたため、当初予定していたほどの出費にはならなかった。余った助成金は次年度の旅費や物品購入に補填する予定である。
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