Thermal history of the Universe and generation of gravitational waves in physics beyond the Standard Model of particle physics

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K22344
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0203:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Yamada Masaki 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (20871106)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2022-03-31
• Keywords: 宇宙の熱史 / バリオン数の非対称性 / 重力波 / 暗黒物質 / インフレーション

Outline of Final Research Achievements

The origin of baryon asymmetry is a long-standing mystery in cosmology. One of the possible mechanisms to generate baryon asymmetry is the decay of right-handed neutrinos in the early Universe. In the present study, we have revealed that almost any asymmetry can be converted to baryon asymmetry via the interaction associated with the right-handed neutrinos. This opens a broader possibility for the generation of baryon asymmetry in physics beyond the Standard Model. Moreover, we have discussed theoretical implications of recently reported signals of a dark-matter direct detection experiment and a pulsar-timing array experiment and have pointed out that they are related to other astrophysical observations. These works have provided a new insight into the thermal history of the Universe.

Free Research Field

素粒子論的宇宙論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

宇宙の歴史のなかで、我々を構成する通常の物質の起源については未だに謎に包まれている。一方で、素粒子のニュートリノ振動の観測は右巻きニュートリノの存在を理論的に示唆している。本研究では、この右巻きニュートリノの質量がある広い範囲に入っていれば、宇宙初期に存在する任意の保存量がバリオン数（物質）に転換されることを示した。これにより、物質の起源を説明するシナリオとしてより広い可能性が開かれた。また、研究期間中に報告された暗黒物質探査実験や重力波観測実験の結果を受けてその理論的な解釈を議論し、現在の観測によって宇宙の謎の解明につながりつつあることを明らかにした。