A theoretical study of the generation and evolution of light dark matter
| Project Area | What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter |
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| Project/Area Number |
20H05851
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Transformative Research Areas, Section (II)
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高橋 史宜 東北大学, 理学研究科, 教授 (60503878)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 將樹 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (20871106)
川崎 雅裕 東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (50202031)
北嶋 直弥 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (50737955)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥56,030,000 (Direct Cost: ¥43,100,000、Indirect Cost: ¥12,930,000)
Fiscal Year 2021: ¥11,440,000 (Direct Cost: ¥8,800,000、Indirect Cost: ¥2,640,000)
Fiscal Year 2020: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000)
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| Keywords | ダークマター / ダークフォトン / ストリングアクシオン / SIMP / 宇宙背景放射 / 重力波 / ソリトン |
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| Outline of Research at the Start |
本研究計画の対象は軽いダークマターであり，WIMP よりも軽い数10GeV から，ド・ブロイ波長が kpc 程度の天文学的なサイズとなるような極めて軽い質量 (1E-22 eV)にいたるまで，約30桁の質量範囲にわたる。その広大な質量領域に遍在する多様な軽いダークマター候補に関し，その生成から現在に至るまでの進化を包括的に調べ上げることで，謎に包まれたダークマターの正体に迫り，その背後にある新たな物理法則を究明することが本計画研究の目的である。
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| Outline of Annual Research Achievements |
山田と高橋は，NANOGravによるパルサータイミング実験のデータが重力波のようなシグナルを示唆していることから、それが初期宇宙における相転移のダイナミクスにおいて放射されたものであるとしたときに得られる示唆に関して研究を行った。その結果，相転移のエネルギースケールは数十から数百MeVとなることが分かり、そのエネルギー付近にダークマターがある存在する可能性および暗黒輻射が生成される可能性が考えられた。高橋は，宇宙背景輻射の偏光観測によって得られた複屈折のヒントをアクシオンドメインウォールで説明する可能性を殷氏とともに提唱し，それが与える複屈折の非等方性について評価した。特にドメインウォールネットワークのモデルを構築し，複屈折の非等方スペクトルが特徴的な形をしていることを明らかにし，将来の観測によって検証可能であることを示した。川崎は非常に軽い質量をもつアクシオン模型に関して、数値格子シミュレーションを用いて宇宙初期にノントポロジカル・ソリトンが生成されることを確かめその空間分布からソリトンが作る密度揺らぎを評価した。北嶋と高橋は軽いダークマターの代表例であるQCDアクシオンの進化の過程において、Witten効果により、高密度のバブル形成が起き、結果として原始ブラックホール(primordial black holes)が形成される可能性を指摘した。また、北嶋はアクシオンの自己相互作用による共鳴現象の解析や、アクシオンとhidden photonの共鳴による重力波生成に関する解析を行った。
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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
NANOGravによるパルサータイミング観測における重力波のヒント，およびPlanck衛星による宇宙背景輻射偏光データの再解析による複屈折の示唆，という新たな実験結果に対し，直ちにその宇宙論的な含意を明らかにするといった顕著な業績をあげることができている。
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| Strategy for Future Research Activity |
山田は今後も軽いダークマターをどのように検証するかについての研究を継続する。特にアクシオンダークマターの宇宙背景放射に対する影響に関する研究、宇宙の小スケールの構造に関する問題を解決するSIMPのような自己相互作用するダークマターに関する研究を行う。高橋は研究を総括するとともに，ステライルニュートリノの新たな生成過程の提案，ダークフォトンによるミューオンg-2の説明とダークマターとの関係，宇宙背景輻射の複屈折を説明するダークマター模型に関して研究を行なう。川崎は軽いアクシオンが作るノントポロジカル・ソリトンに着目し、今年度の成果を基にソリトン生成がダークマターの密度ゆらぎのパワースペクトルに与える影響を調べ、それがCMBや21cm線による観測によって検証可能かを評価する。北嶋はアクシオンがhidden photonの共鳴的生成を引き起こすモデルにおいて、hidden higgsを含めた解析を行う。特に、非熱的に生成されたhidden photonが作る有効ポテンシャルにより、hidden higgsがインフラトンとなる可能性を格子シミュレーションを用いて探る。
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Report
(1 results)
Research Products
(17 results)
