Theories and Particles in the very early universe probed by primordial gravitational waves
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23K03424
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 15010:Theoretical studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
藤田 智弘 早稲田大学, 高等研究所, 講師(任期付) (20815857)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2026: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | 宇宙論 / 重力波 / インフレーション / 場の量子論 |
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| Outline of Research at the Start |
2016年に初観測されて以降、重力波に関わる物理学は著しい発展を見せている。透過力の高い重力波を用いれば熱いビックバンの前の極初期宇宙を探れると期待が寄せられている。今後10年以内に次世代の観測が開始し、原始重力波に対する感度が１００倍良くなる予定である。本研究では重力波生成の理論的可能性を精査し、原始重力波観測で果たして何が分かるのかを追求する。特に、極初期宇宙には我々のまだ知らない未知の素粒子が存在したと考えられており、それらが放出した重力波を観測することで新しい物理学を探索できる可能性がある。未知粒子と重力波の性質の対応関係を明らかにし、将来観測でどこまで測定可能かを明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来の光を用いた観測とは異なり、重力波を用いれば熱いビッグバンのさらに前の極初期宇宙を探査できる。今後10年以内に次世代の宇宙マイクロ波背景放射（CMB）偏光観測が開始し、原始重力波に対する感度が2桁向上する予定である。しかしながら「原始重力波観測によって何を明らかにすることができるのか？」は必ずしも詳らかになっていない。
近年の研究によって初期宇宙のインフレーション期において作られる原始重力波は、従来から知られていた真空ゆらぎ重力波だけでなく、当時の宇宙に存在したある種の物質場（粒子）から放出される物質由来重力波も含まれることが分かってきた。物質由来重力波にはその源となった物質の特性が内包されるので、それを観測することで物質の情報を引き出すことができる。したがって、どのような粒子がどのような性質の重力波を放出するのかを理論的に解明できれば、重力波観測から初期宇宙の構成物質を明らかにできる。
2023年度には、早稲田大学や京都大学の共同研究者とともに、本課題で中心的なテーマとなる有効場理論による解析の研究を開始した。これまでは個別のモデルを用いて現象論的研究を行ってきたが、本質的になぜ非可換ゲージ場（だけ？）が強い重力波放出を引き起こすのかは分かっていない。理論の対称性の破れのパターンに着目して有効場理論を構成すれば、何が重力波生成の根源かを見通しよく議論できると期待される。
他方、東北大の共同研究らと大きな重力波を放出するSU(2)ゲージ場のモデルにおいてインフレーション後の発展も考慮すると、暗黒物質の生成も自然と達成されることを指摘する論文を執筆した。このシナリオではベクトル場のコヒーレント振動が暗黒物質を説明する珍しいケースである。超軽量の暗黒物質が予言され、小型卓上実験や天文観測での検証が期待される。
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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
インフレーション期に非可換ゲージ場が存在すると観測可能なほど強い重力波を放出することが知られている。ただし、それはあくまで個別のモデルの計算によって知られているだけで、本質的になぜそんなことが起きるのかは分かっていない。有効場理論を構成することで、何が重力波生成の根源かを解明するのが本課題の主目的の１つである。本年度は京都大学で行われた滞在型研究会"Gravity and Cosmology 2024"の機会を利用して、京都大学と早稲田大学間の共同研究を立ち上げることができた。その後、京都大学から早稲田に出張に来てもらい、対面での議論も行った。まだ初年度ということもあり具体的な成果を得るところまでは至っていないが、研究を進める方針も立っており、いいスタートを切れたと考えている。来年度以降には、徐々に成果を発表できるところまで研究を進めたい。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは有効場理論を構築する研究を進める。一度有効場理論を扱えるようになれば、何が重力波生成の根源かを見通しよく議論できるだけでなく、全く別種のモデルを作り出す、あるいは個々のモデルに依存しない一般論を展開するなど、様々な理論研究が可能になると期待される。その後に、観測可能性のForecastなど、より次世代実験を見据えた現実的な研究に進んでいきたい。
一方、世界の研究状況に目をやると現象論レベルでも様々な研究が進行している。反作用を取り入れることでSU(2)モデルに新しいアトラクター解を発見したという報告や、可換U(1)モデルではあるものの格子シミュレーションを用いて非線形の解析を行い新しい観測的兆候を見つけたという論文などが注目を集めている。私自身も別の文脈でインフレーション中でも強いゲージ場が存在するとSchwinger効果で荷電粒子が大量に作られ、ゲージ場の発展が大きく変わることを指摘した。そのような新しい要素を取り入れた研究の可能性も考えながら、重力波研究を進めていきたい。
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Report
(1 results)
Research Products
(9 results)
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[Journal Article] First results of axion dark matter search with DANCE2023
Author(s)
Yuka Oshima, Hiroki Fujimoto, Jun'ya Kume, Soichiro Morisaki, Koji Nagano, Tomohiro Fujita, Ippei Obata, Atsushi Nishizawa, Yuta Michimura, Masaki Ando
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Journal Title
Physical Review D
Volume: 108
Issue: 7
Pages: 072005-072005
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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