Weak gravity conjectue and its application to particle physics and cosmology

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H01902
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: The University of Tokyo (2022-2023); Kobe University (2020-2021)
• Principal Investigator: Noumi Toshifumi 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (30709308)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 早田 次郎 神戸大学, 理学研究科, 教授 (00222076) ; 泉 圭介 名古屋大学, 素粒子宇宙起源研究所, 講師 (90554501)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 量子重力 / 素粒子論 / 宇宙論 / 弦理論 / 弱い重力予想 / スワンプランド / 暗黒物質 / ブラックホール

Outline of Final Research Achievements

The weak gravity conjecture states that gravity is the weakest force, offering various consistency conditions on interactions in particle physics and cosmology. In this research, we performed theoretical tests of the conjecture based on fundamental principles such as unitarity and causality. In particular, we provided strong evidence for the weak gravity conjecture for axion and higher form symmetries. We also discussed consistency of the Standard Model and dark matter models based on unitarity of gravitational scattering. In addition, we studied phenomenology of axion cosmology. For example, we identified gravitational wave signals originating from axion dark matters.

Free Research Field

素粒子論・宇宙論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

弱い重力予想に代表される「量子重力特有の整合性条件」を解明し、その素粒子論・宇宙論的帰結を明らかにできれば、量子重力の立場から素粒子や宇宙の謎に迫ることができる。また逆に、得られた整合性条件を素粒子実験や宇宙観測のデータと比較することにより、現象論に根ざした量子重力研究を進められる。本研究ではユニタリ性や因果律などの立場から「量子重力特有の整合性条件」解明のための理論的枠組みを整備したが、この成果をさらに発展させ、様々な素粒子論・宇宙論模型に適用することにより、量子重力と素粒子論・宇宙論の双方向研究が展開できると期待される。