インフレーション宇宙における初期磁場と背景重力波の生成

• 研究課題/領域番号: 17J09103
• 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(理論)
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 藤田 智弘 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2017-04-26 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円); 2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2017年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: 宇宙論 / 宇宙磁場 / カイラル磁場効果 / 原始重力波 / インフレーション理論

研究実績の概要

初期宇宙で作られた宇宙磁場は、そのまま現在の宇宙まで何もせず残るのではなく、プラズマとの相互作用を通じて発展する。磁場とプラズマの共進化を記述するには磁気流体力学が標準的に使われているが、その中でカイラル磁場効果という新しい現象が近年注目を集めている。それは、温度が高く荷電粒子の質量が無視できる状況において、右巻きと左巻き荷電粒子の数に違いがある（カイラル非対称性）と、その差に比例した誘起電流が流れるという効果である。本年度はこの効果に注目し、共同研究者とともに磁場は全く無いが荷電粒子のカイラル非対称性はあるという初期条件から磁場がどのように生成され、その後どのように発展していくかを数値計算で丹念に調べるとともに、近似的に成り立つ解析的な式を導いた。プラズマ流体のゆらぎ（速度場）が無視できるような状況（レイノルズ数が小さい）では、最近発見されたように Chiral Magnetic Effect assisted inverse cascade という、通常のヘリカル磁場が示す Inverse cascadeとはスケーリングの異なる自己相似解があることを確認した上で、そこに対数補正が入ることを示した。反対に流体の速度場が無視できない状況（レイノルズ数が１よりずっと大きい）では、カイラル非対称性から生成されたヘリカル磁場の発展は、よく知られた通常の Inverse cascade のスケーリングによく乗ることを発見した。この研究によって、宇宙論的な状況のみならず高温下のパリティが破れた系において磁場がどのように生成・発展するかの重要な知見が得られた。原理的には、このカイラル磁場効果だけから磁場生成も可能であるが、より現実的にはカイラル非対称性だけでなく、ヘリカルな磁場も同時に存在する初期条件がもっともらしい。その場合に、どのような磁場が生き残るのかは今後の研究課題としたい。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ジュネーブ大学/CERN(欧州原子核研究機構)/スイス連邦工科大学ローザンヌ校(スイス)
• [国際共同研究] 上海交通大学(中国)
• [国際共同研究] Nikhef(オランダ)
• [国際共同研究] CEICO(チェコ)
• [雑誌論文] Primordial tensor non-gaussianity from massive gravity (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujita Tomohiro、Mizuno Shuntaro、Mukohyama Shinji
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2020 号: 01 ページ: 023-023
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2020/01/023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] DANCE: Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment (2020)
  • 著者名/発表者名: Michimura Yuta, Oshima Yuka, Watanabe Taihei, Kawasaki Takuya, Takeda Hiroki, Ando Masaki, Nagano Koji, Obata Ippei, Fujita Tomohiro
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1468 号: 1 ページ: 012032-012032
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012032
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Axion Dark Matter Search with Interferometrie Gravitational Wave Detectors (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagano Koji、Obata Ippei、Fujita Tomohiro、Michimura Yuta
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1468 号: 1 ページ: 012027-012027
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1468/1/012027
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gravitational Waves from Primordial Magnetic Fields via Photon-Graviton Conversion (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita、Kohei Kamada、Yuichiro Nakai
  • 雑誌名: arXiv e-Print: 2002.07548 [astro-ph.CO] 巻: －
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Generation of chiral asymmetry via helical magnetic fields (2020)
  • 著者名/発表者名: Schober Jennifer、Fujita Tomohiro、Durrer Ruth
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 101 号: 10
  • DOI: 10.1103/physrevd.101.103028
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Perturbative description of bias tracers using consistency relations of LSS (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita、Zvonimir Vlah
  • 雑誌名: arXiv e-Print: 2003.10114 [astro-ph.CO] 巻: －
  • オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Scale-invariant helical magnetic fields from inflation (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujita Tomohiro、Durrer Ruth
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2019 号: 09 ページ: 008-008
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2019/09/008
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Wide-angle redshift-space distortions at quasi-linear scales: cross-correlation functions from Zel’dovich approximation (2019)
  • 著者名/発表者名: Taruya Atsushi、Saga Shohei、Breton Michel-Andr?s、Rasera Yann、Fujita Tomohiro
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 491 号: 3 ページ: 4162-4179
  • DOI: 10.1093/mnras/stz3272
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Footprint of two-form field: Statistical anisotropy in primordial gravitational waves (2019)
  • 著者名/発表者名: Obata Ippei、Fujita Tomohiro
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 99 号: 2 ページ: 023513-023513
  • DOI: 10.1103/physrevd.99.023513
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Blue-tilted primordial gravitational waves from massive gravity (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujita Tomohiro、Kuroyanagi Sachiko、Mizuno Shuntaro、Mukohyama Shinji
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 789 ページ: 215-219
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2018.12.025
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mixed non-gaussianity from axion-gauge field dynamics (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujita Tomohiro、Namba Ryo、Obata Ippei
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2019 号: 04 ページ: 044-044
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2019/04/044
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum entanglement in multi-field inflation (2018)
  • 著者名/発表者名: Bolis Nadia、Fujita Tomohiro、Mizuno Shuntaro、Mukohyama Shinji
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2018 号: 09 ページ: 004-004
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2018/09/004
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Optical Ring Cavity Search for Axion Dark Matter (2018)
  • 著者名/発表者名: Ippei Obata, Tomohiro Fujita, Yuta Michimura
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 121 号: 16 ページ: 161301-161301
  • DOI: 10.1103/physrevlett.121.161301
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Hunting for statistical anisotropy in tensor modes with B-mode observations (2018)
  • 著者名/発表者名: Hiramatsu Takashi、Yokoyama Shuichiro、Fujita Tomohiro、Obata Ippei
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 98 号: 8 ページ: 83522-83522
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.083522
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Tensor non-Gaussianity from axion-gauge-fields dynamics: parameter search (2018)
  • 著者名/発表者名: Agrawal Aniket、Fujita Tomohiro、Komatsu Eiichiro
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2018 号: 06 ページ: 027-027
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2018/06/027
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Statistically Anisotropic Tensor Modes from Inflation (2018)
  • 著者名/発表者名: Fujita, Tomohiro and Obata, Ippei and Tanaka, Takahiro and Yokoyama, Shuichiro
  • 雑誌名: JCAP 巻: 1807 号: 07 ページ: 23-23
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2018/07/023
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Does the detection of primordial gravitational waves exclude low energy inflation? (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita, Ryo Namba, Yuichiro Tada
  • 雑誌名: Physics Letters B 巻: 778 ページ: 17-21
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2017.12.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Finding the chiral gravitational wave background of an axion-SU(2) inflationary model using CMB observations and laser interferometers (2018)
  • 著者名/発表者名: Thorne Ben、Fujita Tomohiro、Hazumi Masashi、Katayama Nobuhiko、Komatsu Eiichiro、Shiraishi Maresuke
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 97 号: 4 ページ: 043506-043506
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.043506
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Does Anisotropic Inflation produce a small statistical anisotropy? (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita and Ippei Obata
  • 雑誌名: JCAP 巻: 1801 号: 01 ページ: 049-067
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2018/01/049
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Chiral Magnetohydrodynamics in Cosmology (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita
  • 学会等名: Physics at the Cosmic Frontier
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hunting Axion Dark Matter with New Techniques (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita
  • 学会等名: Beyond general relativity beyond cosmological standard model
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Axion Dark Matter Search with Gravitational Wave Detectors (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita
  • 学会等名: APPC2019 14th Asia-Pacific Physics Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Monkey Theory: a general and simple theory of bias expansion (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita
  • 学会等名: PTchat@Kyoto
  • 国際学会
• [学会発表] 原始惑星系円盤の偏光観測による暗黒物質アクシオンの探査 (2019)
  • 著者名/発表者名: 藤田智弘、田崎亮、當真賢二
  • 学会等名: 日本物理学会 秋季大会
• [学会発表] New Axion Dark Matter Search with Proto-Planetary Disks (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita
  • 学会等名: Topics in Astroparticle and Underground Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Hunting Axion Dark Matter with New Techniques (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita
  • 学会等名: JGRG29
  • 国際学会
• [学会発表] Novel Ways to Hunt Axion Dark Matter: Observation and Experiment (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita
  • 学会等名: Winter Mini Whorkshop on Gravity and Cosmology
  • 国際学会
• [学会発表] Search for Axion Dark Matter with New Approaches (2019)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita
  • 学会等名: FAPESP&JSPS Whorkshop on dark energy, dark matter and galaxies
  • 国際学会
• [学会発表] Primordial Gravitational Waves in a Massive Graviton Theory (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita
  • 学会等名: Essential next steps for gravity and cosmology
  • 国際学会
• [学会発表] インフレーション中に作られる重力波の 振幅と非ガウス性と観測可能性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤田智弘, A. Agrawal, 小松英一郎
  • 学会等名: 物理学会
• [学会発表] インフレーション中に作られる重力波の振幅と非ガウス性と観測可能性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤田智弘
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] インフレーションでの重力波生成と種々の観測量 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藤田智弘
  • 学会等名: 日本物理学会
• [学会発表] Statistically Anisotropic Primordial Gravitational Waves from Gauge Field (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita
  • 学会等名: JGRG
  • 国際学会
• [学会発表] Primordial Gravitational wavesfrom gauge fields during inflation (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita
  • 学会等名: CosPa
  • 国際学会
• [学会発表] Gravitational wave production during inflation revisited (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita
  • 学会等名: COSMO
  • 国際学会
• [学会発表] Does the detection of primordial gravitational waves exclude low energy inflation? (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita
  • 学会等名: PASCOS
  • 国際学会