2021 Fiscal Year Research-status Report
Search for the Origin of Matter using Gravitational Waves
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20K03942
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
村山 斉 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 教授 (20222341)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 重力波 / 非対称性 / 暗黒物質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、最新の観測に基づく宇宙論と素粒子物理学の進展に基づき、また重力波という新しい観測のツールに注目することで、宇宙初期に起こった物質の起源のしくみを探る方法を研究する。具体的には元素を作る物質の起源をあきらかにするために、現在主流の宇宙の物質反物質非対称性の起源レプトジェネシスと標準模型を超える物理によるバリオジェネシスの二つの説に注目し、初年度はレプトジェネシスについて、右巻きニュートリノの質量を産む相転移から宇宙ひもが生成され、そのネットーワークからくる重力波について指摘し、Physical Review Lettersに掲載され、記者発表も行った。
今年度は標準模型を超える物理によるバリオジェネシス、例えば電弱バリオジェネシスに注目した。今まで重力波検出では考えられてこなった、銀河考古学の人工衛星Gaiaや将来の後継Theiaによって周波数の低い重力波の検出が高感度で可能となり、その結果QCD程度の温度での第一次相転移の効果を見ることができることを示した。この論文はすでにJournal of Cosmology and Astroparticle Physicsに出版されている。加えて具体的な模型で何が検出可能かも議論した。例えば村山自身が最近提案した非対称ダークマターの模型では、標準模型との間でニュートリノ・ポータルで非対称性をやり取りする。その結果QCDと同じSU(3)のゲージ群により閉じ込めがおき、ダークセクターの陽子や中性子がダークマターとなる。この閉じ込めの相転移が第一次である可能性を指摘し、その泡の衝突から重力波が生成され、ガイアなどでの周波数領域となる。この理論では物質反物質非対称性の起源とダークマターの起源が密接に関係しているため、非常に面白い観測となる。この提案の論文2本は現在査読中である。
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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
重力波による物質の起源の研究は村山にとっては新しい分野であるが、共同研究を進めることにより速やかに立ち上がり、すでにインパクトの強い論文を何本も出版できている。レプトジェネシスを宇宙ひもからの重力波で検証する論文2本はすでに58件、48件の引用がある。また電弱バリオジェネシス関係の最初の論文も33本の引用があり、分野に大きな影響を与えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度に出版した論文で指摘した可能性として、宇宙ひもを磁気単極子が「食べて」しまう可能性がある。より一般に、d次元の位相欠陥を考えたとき、d-1次元の位相欠陥がその境界となり、不安定化して「食べて」しまう可能性を数学的に分類し、「食べられる」ときの重力波の周波数に特徴的なスペクトルが現れる可能性を調べている。予想では今までの安定な位相欠陥からくるスペクトルとは違うため、重力波の検出から大統一理論などの対称性の破れのパターンについて調べられるようになる。
また、非対称ダークマターについては、今、具体的な模型を構成中で、重力波に加えてILCなどで期待されるヒッグスのエキゾチックな崩壊モードが現れることがわかってきた。加えてビーム・ダンプやBelle II実験でのダークフォトン探索も有望となる。この現象論についても調べていきたい。
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| Causes of Carryover |
申請時には、新型コロナウィルスによる海外渡航制限の影響は1年以内にある程度収束すると見込み、共同研究推進の為、共同研究者の招聘を含む長期海外出張旅費を計上したが、2年以上海外渡航制限が長期化したため、次年度への繰越が生じた。今年度は、海外渡航制限が緩和し、リモート手段を駆使して進めてきた共同研究を一気に促進するため、海外出張を積極的に開始していくことを計画している。
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[Presentation] Quantum Universe2021
Author(s)
Hitoshi Murayama
Organizer
the 26th International Symposium on Particle Physics, String Theory, and Cosmology (PASCOS 2021)
Int'l Joint Research / Invited
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