宇宙論的加速器物理学に基づくインフレーション宇宙を構成する素粒子の探索

• 研究課題/領域番号: 19K14718
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 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
• 研究機関: 公立諏訪東京理科大学 (2022); 香川高等専門学校 (2019-2021)
• 研究代表者: 白石 希典 公立諏訪東京理科大学, 共通・マネジメント教育センター, 講師 (00803446)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
• キーワード: インフレーション / アクシオン / ベクトル場 / 高スピン場 / 宇宙マイクロ波背景放射(CMB) / 銀河 / 重力波 / パリティの破れ / ゲージ場 / 非ガウス性 / CMB / LiteBIRD / 統計的非等方性 / 中性水素21cm / スピン

研究開始時の研究の概要

「インフレーションシナリオ」は様々な宇宙観測事実に自然な説明を与える魅力的な初期宇宙モデルであるが、物理機構の詳細は未だ定かではない。
本研究では、素粒子固有の性質である「スピン」を指標として、インフレーションの構成粒子の特定を行う。そのために、粒子のスピンに対する様々な宇宙論統計量の応答を予測し、最新の多波長宇宙観測データを用いてそれを比較検証していくという、理論、観測双方向からのアプローチを行う。
本研究により、インフレーションのダイナミクスや真空構造に対する理解が飛躍的に進み、宇宙の始まりという人類史上最大級の謎が解明される。

研究成果の概要

宇宙開闢直後のインフレーション期における粒子描像を、理論観測双方向からのアプローチによって探求した。前者では、アクシオン、ベクトル場、高スピン場が宇宙マイクロ波背景放射(CMB)、銀河、宇宙背景重力波に与える影響を精密に理論予測した。後者では、最新のCMB観測データ(WMAP、Planck、BICEP/Keck)を用いてさまざまな理論予測の検証を行い、アクシオンとベクトル場の結合定数やベクトル場のエネルギー密度に対して新たな観測的制約を得た。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で得たアクシオンとベクトル場の結合定数やベクトル場のエネルギー密度の制限値は、世界最高精度のものであり、インフレーション期の粒子描像を解明する上で貴重な情報となっている。また、本研究で得た理論予測結果や開発した解析手法は、将来観測で得られる高精度データを用いた追検証の際に必要とされるものである。本研究は、宇宙開闢に関する最新の理解を提供するとともに、将来研究の成功への道筋を築く役割を担っている。

研究成果

• [国際共同研究] University of Padova/University of Bologna/INFN(イタリア)
• [国際共同研究] MPA/MPE/University of Erlangen-Nurnberg(ドイツ)
• [国際共同研究] University of Paris/CNES/CEA(フランス)
• [国際共同研究] NASA/LBNL/Princeton University(米国)
• [国際共同研究] University of Cambridge/University of Oxford/University of Manchester(英国)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] ASIAA(台湾)
• [国際共同研究] University of California/LBNL(米国)
• [国際共同研究] SISSA/INFN/Universita degli Studi di Padova(イタリア)
• [国際共同研究] Universite de Toulouse/APC/Universite de Paris(フランス)
• [国際共同研究] University of Oslo(ノルウェー)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] ASIAA(台湾)
• [国際共同研究] The University of New South Wales(オーストラリア)
• [国際共同研究] University of Portsmouth/University of Cambridge/University College London(英国)
• [国際共同研究] Instituto de Fisica Teorica UAM/CSIC/Universidad de La Laguna/Universidad de Oviedo(スペイン)
• [国際共同研究] Radboud University/European Space Agency/Leiden University(オランダ)
• [国際共同研究]
• [国際共同研究] Leiden University/Nikhef/SRON(オランダ)
• [国際共同研究] University of Geneva/CERN(スイス)
• [国際共同研究] University of Padova/INFN/INAF(イタリア)
• [国際共同研究] University of Cambridge/Cardiff University/University College London(英国)
• [国際共同研究] National Technical University of Athens(ギリシャ)
• [国際共同研究]
• [雑誌論文] Polarization angle requirements for CMB B-mode experiments. Application to the LiteBIRD satellite (2022)
  • 著者名/発表者名: LiteBIRD Collaboration: Vielva P.、Martinez-Gonzalez E.、Casas F. J.、...、Shiraishi M. et al.
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2022 号: 04 ページ: 029-029
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2022/04/029
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] New constraints on axion-gauge field dynamics during inflation from Planck and BICEP/Keck data sets (2022)
  • 著者名/発表者名: Paolo Campeti, Ogan Ozsoy, Ippei Obata, Maresuke Shiraishi
  • 雑誌名: JCAP 巻: 07 号: 07 ページ: 1-32
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2022/07/039
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Optical Characterization of OMT-Coupled TES Bolometers for LiteBIRD (2022)
  • 著者名/発表者名: LiteBIRD Collaboration: Hubmayr J.、Ade P. A. R.、Adler A.、...、Shiraishi M. et al.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 209 号: 3-4 ページ: 396-408
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02808-7
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Assessment of the RFI by the X-Band Antenna in LiteBIRD Using a 3D Electromagnetic Field Simulator (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsuji M.、Tsujimoto M.、Sekimoto Y.、Dotani T.、Shiraishi M.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: 209 号: 5-6 ページ: 1097-1103
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02889-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Can primordial parity violation explain the observed cosmic birefringence? (2022)
  • 著者名/発表者名: Fujita Tomohiro、Minami Yuto、Shiraishi Maresuke、Yokoyama Shuichiro
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 106 号: 10 ページ: 1-1
  • DOI: 10.1103/physrevd.106.103529
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sensitivity Modeling for LiteBIRD (2022)
  • 著者名/発表者名: LiteBIRD Collaboration: Hasebe T.、Ade P. A. R.、Adler A.、...、Shiraishi M. et al.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: - 号: 5-6 ページ: 384-397
  • DOI: 10.1007/s10909-022-02921-7
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Gravitational wave trispectrum in the axion-SU(2) modelGravitational wave trispectrum in the axion-SU(2) model (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Fujita, Kai Murai, Ippei Obata and Maresuke Shiraishi
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 01 号: 01 ページ: 007-007
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2022/01/007
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] In-flight polarization angle calibration for LiteBIRD: blind challenge and cosmological implications (2022)
  • 著者名/発表者名: LiteBIRD Collaboration: Krachmalnicoff N.、Matsumura T.、de la Hoz E.、...、Shiraishi M. et al.
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2022 号: 01 ページ: 039-039
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2022/01/039
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Wide-angle effects on galaxy ellipticity correlations (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi Maresuke、Taruya Atsushi、Okumura Teppei、Akitsu Kazuyuki
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters 巻: 503 号: 1 ページ: L6-L10
  • DOI: 10.1093/mnrasl/slab009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Alcock-Paczynski effects on wide-angle galaxy statistics (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi Maresuke、Akitsu Kazuyuki、Okumura Teppei
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 103 号: 12 ページ: 123534-123534
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.123534
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Minimum variance estimation of statistical anisotropy via galaxy survey (2021)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi Maresuke、Okumura Teppei、Akitsu Kazuyuki
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2021 号: 03 ページ: 039-039
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/03/039
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Cross-correlations as a diagnostic tool for primordial gravitational waves (2021)
  • 著者名/発表者名: Malhotra Ameek、Dimastrogiovanni Ema、Fasiello Matteo、Shiraishi Maresuke
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2021 号: 03 ページ: 088-088
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/03/088
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Planck 2018 results. I. Overview and the cosmological legacy of Planck (2020)
  • 著者名/発表者名: Planck Collaboration: Akrami Y、Arroja F、Ashdown M、...、Shiraishi M et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 641 ページ: A1-A1
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201833880
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Planck 2018 results. X. Constraints on inflation (2020)
  • 著者名/発表者名: Planck Collaboration: Akrami Y、Arroja F、Ashdown M、...、Shiraishi M et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 641 ページ: A10-A10
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201833887
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Planck 2018 results. IX. Constraints on primordial non-Gaussianity (2020)
  • 著者名/発表者名: Planck Collaboration: Akrami Y、Arroja F、Ashdown M、...、Shiraishi M et al.
  • 雑誌名: Astronomy & Astrophysics 巻: 641 ページ: A9-A9
  • DOI: 10.1051/0004-6361/201935891
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Minimum variance estimation of galaxy power spectrum in redshift space (2020)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi Maresuke、Okumura Teppei、Sugiyama Naonori S、Akitsu Kazuyuki
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters 巻: 498 号: 1 ページ: L77-L81
  • DOI: 10.1093/mnrasl/slaa132
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] LiteBIRD satellite: JAXA's new strategic L-class mission for all-sky surveys of cosmic microwave background polarization (2020)
  • 著者名/発表者名: Hazumi Masashi、et al.
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 巻: 11443 ページ: 249-249
  • DOI: 10.1117/12.2563050
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Concept design of low frequency telescope for CMB B-mode polarization satellite LiteBIRD (2020)
  • 著者名/発表者名: Sekimoto Yutaro, et al.
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 巻: 11453 ページ: 37-37
  • DOI: 10.1117/12.2561841
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Overview of the medium and high frequency telescopes of the LiteBIRD space mission (2020)
  • 著者名/発表者名: Montier Ludovic、et al.
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 巻: 11443 ページ: 250-250
  • DOI: 10.1117/12.2562243
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Simulating electromagnetic transfer function from the transmission antennae to the sensors vicinity in LiteBIRD (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsuji Masatoshi、Tsujimoto Masahiro、Sekimoto Yutaro、Dotani Tadayasu、Shiraishi Maresuke
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 巻: 11443 ページ: 214-214
  • DOI: 10.1117/12.2560899
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Updated design of the CMB polarization experiment satellite LiteBIRD (2020)
  • 著者名/発表者名: LiteBIRD Collaboration: H. Sugai, P. A. R. Ade, Y. Akiba, ..., M. Shiraishi et al.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tensor spectra templates for axion-gauge fields dynamics during inflation (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujita Tomohiro、Sfakianakis Evangelos I.、Shiraishi Maresuke
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2019 号: 05 ページ: 057-057
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2019/05/057
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Probing the origin of our Universe through cosmic microwave background constraints on gravitational waves (2019)
  • 著者名/発表者名: Sarah Shandera, Peter Adshead, Mustafa Amin, Emanuela Dimastrogiovanni, Cora Dvorkin, Richard Easther, Matteo Fasiello, Raphael Flauger, John T. Giblin, Jr, Shaul Hanany, Lloyd Knox, Eugene Lim, Liam McAllister, Joel Meyers, Marco Peloso, Graca Rocha, Maresuke Shiraishi, Lorenzo Sorbo, Scott Watson
  • 雑誌名: Bulletin of the American Astronomical Society 巻: 51, 3 ページ: 338-338
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] General modal estimation for cross-bispectra (2019)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi Maresuke、Liguori Michele、Fergusson James R.、Shellard E.P.S.
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2019 号: 06 ページ: 046-046
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2019/06/046
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] LiteBIRD: An All-Sky Cosmic Microwave Background Probe of Inflation (2019)
  • 著者名/発表者名: LiteBIRD Collaboration: A. T. Lee, P. Ade, Y. Akiba, ..., M. Shiraishi et al.
  • 雑誌名: Bulletin of the American Astronomical Society 巻: 51, 7 ページ: 286-286
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Constraining graviton non-Gaussianity through the CMB bispectra (2019)
  • 著者名/発表者名: De Luca Valerio、Franciolini Gabriele、Kehagias Alex、Riotto Antonio、Shiraishi Maresuke
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 100 号: 6 ページ: 063535-063535
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.063535
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Super-sample tidal modes on the celestial sphere (2019)
  • 著者名/発表者名: Akitsu Kazuyuki、Sugiyama Naonori S.、Shiraishi Maresuke
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 100 号: 10 ページ: 10-10
  • DOI: 10.1103/physrevd.100.103515
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tensor Non-Gaussianity Search: Current Status and Future Prospects (2019)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi Maresuke
  • 雑誌名: Frontiers in Astronomy and Space Sciences 巻: 6 ページ: 49-49
  • DOI: 10.3389/fspas.2019.00049
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Parity violation search using non-Gaussian observables (2023)
  • 著者名/発表者名: Maresuke Shiraishi
  • 学会等名: Domestic Molecule-type Workshop "Non-linear Nature of Cosmological Perturbations and Its Observational Consequences"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cosmological signatures and constraints on primordial parity violation (2022)
  • 著者名/発表者名: Maresuke Shiraishi
  • 学会等名: 2022 Summer NRF-JSPSWorkshop in particle physics, cosmology, and gravitation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Finding higher spinning particles through cosmic symmetry breakings (2019)
  • 著者名/発表者名: 白石希典
  • 学会等名: 第一回科学研究部シンポジウム銀河赤方偏移探査による宇宙論研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Graviton non-Gaussianity search (2019)
  • 著者名/発表者名: Maresuke Shiraishi
  • 学会等名: CosKASI-ICG-NAOC-YITP Workshop 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会・シンポジウム開催] Workshop on Very Light Dark Matter 2023 (2023)