Exploring fundamental variables of gravity through early universe observations

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K14468
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Aoki Katsuki 京都大学, 基礎物理学研究所, 特定助教 (80822288)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 重力理論 / 宇宙論 / 量子重力理論

Outline of Final Research Achievements

We showed that spin-0, 1, and 2 degrees of freedom can consistently arise from gravitational theories with torsion. We proposed inflationary scenario and constructed a general framework for cosmological perturbations in such theories. To systematically understand observational signatures from modifications of gravity, we formulated effective field theories for cosmology and black holes. In addition, we studied unitarity and analyticity of S-matrix to investigate the theoretical consistency of gravitational theories. In particular, we found that the consistency between general relativity and the standard model of particle physics naturally predicts the unification of fundamental forces.

Free Research Field

重力・宇宙論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

一般相対論と量子論の不整合性やダークエネルギー、ダークマター、インフレーションといった宇宙論に残された数々の謎の存在は一般相対論を超えた重力理論の必要性を示唆している。本研究で提案した有効場理論はこれら重力理論を系統的に調査していくための土台を与え、今後重力理論を検証していく上で有用であると期待される。一方で、有効場理論の理論空間の全ての領域がユニタリー性などの物理原理と整合的ではない。重力理論とS行列との整合性を明らかにすることは理論の妥当性を明らかにするだけでなく、究極の物理法則と期待される量子重力理論の理解を得ることにも繋がる。