2014 Fiscal Year Research-status Report
最新の精密宇宙観測及び素粒子理論に基づくインフレーションの研究
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26400239
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
諸井 健夫 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60322997)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 素粒子論 / 初期宇宙論 / 超対称模型 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度はまず、インフレーション起源の重力波についての研究を行った。インフレーション中には重力場の揺らぎとして重力波が生成される。この重力波のスペクトルは、DECIGO など将来の衛星重力波探査実験により測定される可能性がある。インフレーション起源の重力波のスペクトルには、インフレーションを起こすスカラー場のポテンシャルの構造やインフレーション後の宇宙再加熱温度などに関するさまざまな情報が含まれる。本研究においては、将来の衛星重力波探査実験により、それらについて、どの程度の情報を得られるかを定量的に見積もった。そして、重力波スペクトルのスペクトル指数や宇宙再加熱温度がどの程度の精度で決定できるかを明らかにした。
また、高エネルギー宇宙線ニュートリノの起源についても研究を行った。近年、IceCube実験はPeV程度のエネルギーを持つ宇宙線ニュートリノを観測した。しかしその起源については未だ理解されていない。本研究では、PeVよりもきわめて重い長寿命粒子が過去にニュートリノに崩壊した場合、エネルギーの赤方偏移の効果によって、それが現在のエネルギーがPeV程度のニュートリノの起源となり得ることを明らかにした。さらに、そのようなシナリオに対し、元素合成や宇宙背景放射のスペクトルからどのような制限が与えられるかも明らかにした。
さらに、宇宙初期の熱浴中でのスカラー場のダイナミクスについても研究を行った。本研究では特に、Peccei-Quinn対称性を持つ模型に現れるアクシオン場とその動径方向自由度（サクシオン場）について、熱浴の効果まで含めて宇宙初期の発展を考察した。そして、熱的散逸の効果により、これまで考えられていたよりもサクシオン場の運動が早く停止する場合があることを明らかにした。
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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
本年度はインフレーション起源の重力波に関する研究を完成させることができた。このテーマは本研究で扱うとしていたものの一つであるが、研究の完成は研究開始数年後になると想定されていたため、想定よりも早く研究を完成できたと言える。さらに、精密宇宙観測を用いて初期宇宙の様相を探ると言うテーマについても予備的議論を始めている段階であるが、これは重力波に関する研究を予定よりも早く完成させることができたために可能となっている。
また、「研究実績の概要」に述べたように、高エネルギー宇宙線ニュートリノの起源、そして熱浴中のスカラー場の運動に関しても研究を行い、成果を上げることができた。これらは、余力があれば本研究計画で扱う予定であったテーマである。従って、この方面については、予定していた研究計画を大幅に上回る成果が上がったと考えている。
さらに、さまざまな宇宙進化のシナリオに対して宇宙元素合成からの制限をつけるということは、本研究の大きな目的である。そのためには軽元素合成中に崩壊（あるいは対消滅）する粒子が存在する場合の軽減素量計算の精密化が重要であるということは、本研究の申請書にも記載した通りである。この部分に関しては平成２７年度中の完成が目標であったが、幸いなことに今年度既にプログラムの大枠を完成させることができた。これは当初の計画とくらべ、半年から１年程度研究が早く進展していることを意味している。さらに、当初計画していた、インフレーション後の宇宙再加熱温度に対する上限を軽元素量の制限を用いて導出するというプロジェクトの他にも、軽元素合成中に対消滅を起こす暗黒物質模型について、対消滅断面積に対する上限を求めるというプロジェクトも新たに始動することができた。
以上から、本研究は当初計画以上に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は宇宙初期元素合成中に崩壊する粒子が存在する場合の軽元素量計算について、計算の精密かの目処をつけることができた。特に、軽元素量計算のための数値計算プログラムはほぼ完成し、現在さまざまなチェックを行っている段階である。また、理論計算の結果と対比すべき軽元素の宇宙初期密度に関しても、サーベイはほぼ終了した。今後はそれらの結果を踏まえて、さまざまな宇宙進化のシナリオに対し、どのような制限が与えられるかを明らかにしていく予定である。
また、軽元素合成時期に対消滅を起こす暗黒物質模型についても今年度中を目処に研究の完成を目指す。このプロジェクトに関しては、宇宙背景放射や高エネルギー宇宙線などの、他の精密宇宙観測からの制限との比較を行っている段階である。今後、それぞれの制限がどのようなパラメータ領域を排除するかについての相対的な関係を明らかにし、軽元素合成時期に対消滅を起こす暗黒物質模型に関する総合的な理解を得た上で、今年度中に研究を完成させたいと考えていある。
さらに、さまざまな宇宙観測を用いて宇宙初期の様相を探るというプロジェクトに関しても現在研究を進めている。近い将来の精密宇宙観測は、特に宇宙密度揺らぎの起源に関して重要な情報を提供すると考えられる。それらの情報を用いて、さまざまな密度ゆらぎ生成のシナリオをどの程度テストできるかを明らかにする計画である。この研究のためには大規模な数値計算を用いて、それぞれの密度揺らぎ生成シナリオと予期される観測データとの間で、どの程度の一致（あるいは齟齬）が期待されるかを定量的に明らかにする必要がある。このための数値計算コードの整備に現在取りかかっており、近い将来にはコードを完成させられると考えている。
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| Causes of Carryover |
本年度参加した国際ワークショップ「IBS-MultiDark joint focus program」について、本来は参加の経費を研究費から支出予定であったが、主催者からサポートを受けることができた。このため、支出が不要となり、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成２７年度に参加予定ではなかった国際会議に招待されたため、その参加費として支出する。
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