2021 Fiscal Year Annual Research Report
宇宙精密観測に基づく軽量スカラー・ベクトル暗黒物質モデルの検証
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21J20600
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
野村 皇太 神戸大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 暗黒物質 / ダークマター / 重力波 / ブラックホール / 初期宇宙 / 特異点 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
重力波などをターゲットとした宇宙精密観測が今後進展することを踏まえ、それを活用して軽量暗黒物質モデルの検証を行うために、軽量暗黒物質の存在を反映した重力波等の観測量の理論的予言を行うことが本研究の目的であった。2021年度は、近年特に観測が発展している、ブラックホールから届く重力波に注目し、研究を行った。ブラックホールは非自明なゲージ場の強さ（電場や磁場）を持つことができる。ブラックホール連星が合体したり、ブラックホールへ物質が降着したりすると、それを源として重力波が生じるが、その重力波の周波数はブラックホールの質量およびブラックホールが持つゲージ場の強さを反映したものとなる。本研究では、重い荷電粒子が中間状態に現れることによって生じ得るゲージ場の非線形相互作用を取り入れた枠組みにおいて、ブラックホール由来の重力波の周波数を計算した。この結果を用いれば、観測された重力波の周波数からブラックホールの質量およびゲージ場の強さ、ゲージ場の相互作用の大きさが読み取れると期待できる。ここでのゲージ場は、標準模型光子に限らず、暗黒物質セクターのベクトル場を考えても全く同じ結果が当てはまる。したがって、本研究により、重力波観測を用いた暗黒物質探索の一つの方法を与えることができたと言える。本研究成果について、論文を執筆して発表した。また、日本物理学会を含む4件の学会・研究会にて口頭発表を行った。
また、当初研究計画にはなかったが、初期宇宙の特異点に関する研究も行うことができて、その成果を論文として発表し、国内研究会での口頭発表を1件行った。この研究では、一様等方宇宙モデルおよび簡単な非等方宇宙モデルにおいて初期特異点が生じる条件を調べた。この結果、時空のスカラー曲率が有限に留まるために特異点を持たないと期待されていた一部の非等方宇宙モデルでも、初期特異点が現れることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
重力波などをターゲットとした宇宙精密観測を活用して軽量暗黒物質モデルの検証を行うために、軽量暗黒物質の存在による重力波等の観測量を理論的に予言することが本研究の目的であった。2021年度に行った研究では、ブラックホールを起源とする重力波の観測を活用して暗黒物質セクターの粒子を探索できることに注目し、実際にベクトル場の非線形相互作用によって重力波の周波数がどのように影響を受けるのかを明らかにした。これで既に観測量の予言という当初の目的が達成できたため、研究はおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度に行った研究では、ベクトル場の非線形相互作用によるブラックホール由来の重力波への影響を評価した。ブラックホールは、重力波観測や影の撮像など近年特に観測が発展している対象であるため、2021年度の研究成果を生かし、今後もブラックホール周辺での軽量暗黒物質の振る舞いに注目した研究を行いたい。また、軽量暗黒物質の宇宙論的発展についても引き続き研究対象とし、観測量の予測へ繋げる予定である。
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