| 研究課題/領域番号 |
19K14702
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分15010:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する理論
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
小幡 一平 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任研究員 (50823621)
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| 研究期間 (年度) |
2021-11-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2020年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2019年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
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| キーワード | 宇宙論 / アクシオン / インフレーション / パルサータイミングアレイ / 原始重力波 / 光子（ゲージ場） / 宇宙背景放射 / 暗黒物質 / 原始非ガウス性 / 光子(ゲージ場) / 標準模型 / 暗黒エネルギー / 重力波干渉計 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
アクシオンは未発見の素粒子であり、宇宙初期の加速膨張(インフレーション機構)を引き起こすスカラー場や暗黒物質の候補として考えられている。本研究は、アクシオンが光子(ゲージ場)にもたらす主要な効果であるパリティ対称性の破れを宇宙論的な側面から研究し、アクシオンを将来の実験観測で検証する手段を開拓する。特に、アクシオンに由来する光子のパリティの破れを宇宙物理学の代表的課題である原始重力波観測や暗黒物質実験に結びつけた新たなアプローチを構築する。
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、未発見の素粒子であるアクシオンが引き起こす光子のパリティ対称性の破れに着目し、宇宙論の枠組みで将来の実験観測から検証を行える手段を開拓することである。以下２つの研究課題に分け、当該年度に遂行できた実績を述べる。
(1)アクシオン-ゲージ相互作用が宇宙初期に存在していた場合、ゲージ場の偏光一成分がアクシオンの背景場のダイナミクスに依存して非断熱的に生成され、副次的にパリティ対称性の破れた重力波を生成するメカニズムが知られている。私は共同研究者らと、近年NANOGravをはじめとした複数のパルサータイミングアレイの観測から報告された背景重力波を示唆する観測結果が、アクシオン-ゲージ場のインフレーション模型で説明できる可能性があることを明らかにした。この研究は論文として発表し、本年度にPhysics Letter Bに掲載された。
(2)Planck/WMAP衛星のデータから得られた宇宙背景放射（CMB）のEB相関（偏光回転効果）は、宇宙のパリティ対称性が大スケールで破れており、アクシオンの様な新物理が背後にある可能性を示唆している。その偏光回転の多寡はCMB偏光が生成された時代から現在に至るまでにアクシオン場がどのように時間変化してきたのかで特徴づけられる。これまでの研究では、アクシオン場が宇宙論的に線形成長すると仮定された解析が主に行われてきた。ただし、一部の質量帯では暗黒物質との重力相互作用による非線型成長効果が無視できず、従来の予言と異なる偏光回転効果が導かれる可能性があった。私は共同研究者らと、そのようなアクシオン場の非線型成長過程を取り入れた模型の制限を行い、非線型効果が重要になる質量帯ではCMB偏光を均す効果が大きくなり、偏光回転効果を整合的に説明できないことを明らかにした。この研究は論文として発表し、Physical Review Dに掲載された。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
前年度に予定していたCMBの偏光回転効果の研究課題を達成し、論文を学術誌(PRD)に出版することができた。それに加え、以前発表していたアクシオン-ゲージ場のインフレーション模型による背景重力波の生成過程の研究も無事に科学雑誌（PLB）に掲載できた。これらの論文は全て共著であり、そのうち１本は中国（中国科学技術大学）、もう1本はトルコ（ネゲヴ・ベン=グリオン大学）及び韓国（基礎科学研究院）の研究者らとの国際共著論文である。また、CMBに関する研究は学術変革領域研究「ダークマターの正体は何か？広大なディスカバリースペースの網羅的研究」（領域代表者：村山斉 東京大学教授）のCMB班（B06、代表：小松英一郎 マックスプランク宇宙物理学研究所所長）の研究者らとの共同研究にも基づいている。
本年度は国内外の8つの研究会に招待され、本課題に関連した研究成果の発表を行った。そして、国内では北海道大学素粒子宇宙論・研究室、国外ではオンラインセミナーであるCopernicus WebinarとMajorana-Raychaudhuri Seminar Seriesにセミナー講師として招待され、本課題に関連する研究発表を行った。
また当初予期していなかったこととして、本年度は東京大学柏キャンパス一般公開における「サイエンス温泉」にて講演者として登壇する機会を得、本研究課題に関連した研究紹介を一般の方々に紹介するアウトリーチ活動を実施した。
以上の理由から、進捗状況を当初の計画以上に進展があったと評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
(1)アクシオン暗黒物質探査に向けた光共振器実験の観測精度の向上：アクシオン暗黒物質による光の偏光回転効果を測定するには、タテ・ヨコ2つの偏光状態が同時に共振している環境を光共振器内で実現する必要がある。ところが、DANCE実験のような光の斜入射を想定した共振器設計では2つの偏光に鏡の反射による位相差が一般に生じるため、同時共振が難しくそれによってアクシオンの検出感度が悪くなることが共同研究者の実験によって明らかになった。今後はそのような反射位相差を削減する方法について開拓を行い、DANCE実験の感度向上を目指す予定である。
(2)光子のパリティ対称性を破るマヨロンの理論模型とその観測可能性の開拓：マヨロンはグローバル対称性の自発的破れから生じる（擬）南部ゴールドストーンボソンである。マヨロンは仮説上の素粒子であり、その存在はニュートリノの小さな質量を自然に与えるシーソー機構に動機づけられてきた。これまでマヨロンは光子のパリティ対称性の破れは引き起こさないと考えられていたが、最近になって量子電磁力学のアノマリーを持つマヨロンの理論模型が提案され、アクシオンのように光子のパリティ対称性を破る可能性があることが明らかになった[Q.Liang, X.P.Diaz, T.T.Yanagida, PRL134 (2025)15, 151803]。今後、私はこのマヨロンがアクシオンと同様に宇宙の暗黒物質として振る舞うことでどの程度の光の偏光回転効果を引き起こすのかを理論的に明らかにし、DANCEやKAGRAなどの光共振器実験によって検証できる可能性を探究する。
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