宇宙初期の軽元素組成の進化と素粒子模型の天文学的制限

• 研究課題/領域番号: 09J06817
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 日下部 元彦 東京大学, 宇宙線研究所, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2009 – 2011
• 研究課題ステータス: 完了 (2011年度)
• 配分額: 2,800千円 (直接経費: 2,800千円); 2011年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2010年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2009年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: 初期宇宙 / ハドロン / 素粒子 / 共鳴反応 / 天体核物理 / 軽元素 / 宇宙論 / 元素合成 / 天体核物理学 / 超対称性理論 / 星 / 再電離

研究概要

宇宙背景放射の観測から推測されるバリオン密度に対して標準ビッグバン元素合成理論が予言する^7Liの存在度が、昔できた星で観測される存在度と一致しない問題がある。この問題の原因として、強い相互作用をするエキゾチックな重い長寿命粒子の効果が可能性として考えられる。
宇宙初期に色を持つエキゾチックな重い長寿命粒子(Y)が存在すると、色の閉じ込めにより、強い相互作用をするエキゾチックな重い粒子(X)に閉じ込められると考えられる。Xの組成は、宇宙初期のクオーク・ハドロン相転移後に、2つのX粒子の衝突に付随する対消滅で減少する。X粒子は通常の原子核と束縛状態を形成し宇宙の軽元素組成に影響を与え得るのだが、その影響は宇宙で元素合成が起こる時期のXの存在度に依存する。今年度は、強い相互作用をするX粒子に閉じ込められる、色を持つY粒子の共鳴散乱を通した対消滅を研究し、Xの存在度について知見を得た。
宇宙での2つのXの衝突の際に、YとY(Yの反粒子)で構成される共鳴状態を経由してY粒子の対消滅が起こると仮定し、Yの初期組成、質量、Xのエネルギー準位、YY共鳴状態の崩壊幅をパラメターとした時の対消滅率をモデル化してXの最終組成を計算した。採用した設定での結果として、X粒子の存在度は従来の見積よりも著しく大きくなる場合がある一方で、有意に小さくなる場合はなかった。最終組成の計算結果は、^7Liの組成が減少したり、^9BeやBの組成が増大したりするのに必要な量の見積値に達している。
Xの最終組成は、相転移の状況に依存する可能性がある。粒子が軽元素組成に与えた影響が観測的に確かめられれば、相転移に関する情報を軽元素の始原組成から引き出せる可能性がある。将来、このように相転移の痕跡を調べられる可能性を指摘した。

研究成果

• [雑誌論文] Resonant annihilation of long-lived massive colored particles through hadronic collisions (2012)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦、竹迫知博
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 85 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevd.85.015005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Signals of the cosmological reionization in the radio sky through C and O fine structure lines (2012)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦、川崎雅裕
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 419 号: 1 ページ: 873-894
  • DOI: 10.1111/j.1365-2966.2011.19751.x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of exotic long-lived sub-strongly interacting massive particles in big bang nucleosynthesis and a new solution to the Li problem (2012)
  • 著者名/発表者名: 川崎雅裕、日下部元彦
  • 雑誌名: EPJ Web of Conferences 巻: 20 ページ: 04001-04001
  • DOI: 10.1051/epjconf/20122004001
• [雑誌論文] Time-dependent quark masses and big bang nucleosynthesis revisited (2011)
  • 著者名/発表者名: Myung-Ki Cheoun、梶野敏貴、日下部元彦、Grant J.Mathews
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 84 号: 4 ページ: 43001-43001
  • DOI: 10.1103/physrevd.84.043001
  • 査読あり
• [雑誌論文] SUSY-catalyzed big bang nucleosynthesis as a solution of lithium problems (2011)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦、梶野敏貴、Grant J.Mathews
  • 雑誌名: Journal of Physics, Conference Series 巻: 312 号: 4 ページ: 042012-042012
  • DOI: 10.1088/1742-6596/312/4/042012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Production of the p-process Nuclei in the Carbon-deflagration Model for Type Ia Supernovae (2011)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦、岩本信之、野本憲一
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 726
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum Statistical Corrections to Astrophysical Photodisintegration Rates (2011)
  • 著者名/発表者名: Grant J.Mathews、Yamac Pehlivan、梶野敏貴、A.B.Balantekin、日下部元彦
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 727
  • 査読あり
• [雑誌論文] Destruction of ^7Be in big bang nucleosynthesis via long-lived sub-strongly interacting massive particles as a solution to the Li problem (2011)
  • 著者名/発表者名: 川崎雅裕、日下部元彦
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 83
  • 査読あり
• [雑誌論文] Big Bang nucleosynthesis with long-lived strongly interacting relic particles (2010)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦、梶野敏貴、吉田敬、Grant J.Mathews
  • 雑誌名: Light Elements in the Universe, Proceedings of the International Astronomical Union, IAU Symposium 巻: 268 ページ: 33-38
• [雑誌論文] Signature of Long-lived Relic Particles on Primordial Light Element Abundances in Big Bang Nucleosynthesis (2010)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦、梶野敏貴、吉田敬、Grant J.Mathews
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 1269 ページ: 66-68
• [雑誌論文] Photodisintegration at High Temperature (2010)
  • 著者名/発表者名: Yamac Pehlivan、梶野敏貴、A.B.Balantekin、Grant J.Mathews、日下部元彦
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 1269 ページ: 397-399
• [雑誌論文] New results on catalyzed BBN with a long-lived negatively-charged massive particle (2010)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦、梶野敏貴、吉田敬、Mathews, Grant J.
  • 雑誌名: Physical Review D 81
  • 査読あり
• [雑誌論文] New constraints on radiative decay of long-lived particles in big bang nucleosynthesis with new He4 photodisintegration data (2009)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦、梶野敏貴、吉田敬、嶋達志、永井泰樹、紀井俊輝
  • 雑誌名: Physical Review D 79
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of long-lived strongly interacting relic particles on big bangnucleosynthesis (2009)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦、梶野敏貴、吉田敬、Mathews, Grant J.
  • 雑誌名: Physical Review D 80
  • 査読あり
• [学会発表] 再電離時期に残される炭素・酸素微細構造線信号 (2012)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: 日本天文学会2012年春季年会
  • 発表場所: 龍谷大学(京都府)
• [学会発表] Effect of exotic strongly interacting massive particles including long-lived colored particles on big bang nucleosynthesis (2011)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: Phenomenology 2011 Symposium
  • 発表場所: Madison, USA
• [学会発表] Possible signatures of exotic long-lived strongly interacting massive particles (SIMPs) on light element abundances (2011)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: 17^<th> International Symposium on Particles Strings and Cosmology
  • 発表場所: Cambridge, UK
• [学会発表] Possible destructions of ^7Be and ^7Li in big bang nucleosynthesis through reactions with exotic long-lived sub-strongly interacting massive particles (2011)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: Supersymmetry 2011
  • 発表場所: Fermilab, Batavia, IL, USA
• [学会発表] Signatures of long-lived exotic strongly interacting massive particles on light element abundances through reactions triggered by the particles (2011)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: 7^<th> International Workshop on the Dark Side of the Universe
  • 発表場所: Beijing, China
• [学会発表] Effect of exotic long-lived sub-strongly interacting massive particles in big bang nucleosynthesis (2011)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: Hadron Nuclear Physics 2011
  • 発表場所: Pohang, Korea
• [学会発表] 相互作用が弱めの長寿命エキゾチックハドロンがビッグバン元素合成で起こす^7Be破壊 (2011)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: 第24回理論懇シンポジウム
  • 発表場所: 国立天文台(東京都)
• [学会発表] Destructions of 7Be and 7Li in big bang nucleosynthesis through reactions with exotic long-lived sub-strongly interacting massive particles (2011)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: 工nternational Symposium on Origin of Matter and Evolution of Galaxies
  • 発表場所: 理化学研究所(埼玉県)
• [学会発表] SUSY-Catalyzed Big-Bang Nucleosynthesis as a Solution of Lithium Problems (2010)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: International Nuclear Physics Conference 2010
  • 発表場所: Vancouver, Canada
• [学会発表] Signature of Long-lived Relic Particles on Primordial Light Element Abundances in Big-Bang Nucleosynthesis (2010)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: OMEG 10
  • 発表場所: 大阪大学
• [学会発表] 再電離時期に残される炭素・酸素微細構造線信号 (2010)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: 日本物理学会2010年春季年会
  • 発表場所: 岡山大学
• [学会発表] BBN constraints on strong relic particles (2009)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: COSM009
  • 発表場所: Geneva, Swiss
• [学会発表] 強い相互作用をする長寿命粒子へのビッグバン元素合成からの制限 (2009)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: 日本天文学会2009年秋季年会
  • 発表場所: 山口大学
• [学会発表] 4He光分解の新データを用いたビッグバン元素合成時期の長寿命粒子放射性崩壊への新しい制限と6Li問題の解 (2009)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: 日本天文学会2009年秋季年会
  • 発表場所: 山口大学
• [学会発表] Effect of Long-lived Strongly Interacting Relic Particles on Big Bang Nucleosynthesis (2009)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: 日米合同核物理学会
  • 発表場所: Hawaii, USA
• [学会発表] Big-Bang nucleosynthesis with long-lived strongly-interacting relic particles (2009)
  • 著者名/発表者名: 日下部元彦
  • 学会等名: IAU Symposium 268 : Light element in the Universe
  • 発表場所: Geneva, Swiss