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Formation of primordial black holes after inflation in modified gravity and supergravity

研究課題

研究課題/領域番号 22K03624
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
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
研究機関東京都立大学

研究代表者

Sergei V.Ketov  東京都立大学, 理学研究科, 准教授 (70347269)

研究分担者 藤田 裕  東京都立大学, 理学研究科, 教授 (10332165)
辻川 信二  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (30318802)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
キーワードinflation / primordial black holes / modified gravity / supergravity / dark matter / gravitational waves / black holes
研究開始時の研究の概要

We will propose (a) the new theoretical framework based on modified gravity and supergravity; (b) new mechanisms of spontaneous SUSY breaking needed for phenomenological applications, and (c) new mechanisms of PBH formation based on multi-field inflation and the power spectrum enhancement of curvature perturbations due to sharp turns of inflationary trajectory or a first order phase transition with bubble collisions. Our proposals are interdisciplinary by combining theoretical high-energy physics
(inflation, SUSY, strings) with theoretical cosmology (inflation, DM) and astrophysics (PBH, GW).

研究実績の概要

The E-type alpha-attractor models of inflation were generalized in order to accommodate production of primordial black holes via adding a near-inflection point to the inflaton scalar potential, in good (within 1 sigma) agreement with the latest measurements of the cosmic microwave background radiation. The minimal number of new parameters was used but their fine-tuning was maximized in order to increase possible masses of primordial black holes formed during the ultra-slow-roll phase of inflation and representing part of the current dark matter.
An improved model of inflation and primordial black hole formation was also proposed in modified gravity by combining the Appleby-Battye-Starobinsky model and the quantum correction given by the term quartic in the spacetime scalar curvature. The relationship between active galactic nuclei power and molecular gas mass in elliptic galaxies was clarified, and the origin of the continuum emission was explained by synchrotron radiation.
An invited review about cosmological inflation, primordial black holes and dark matter in the supergravity framework was prepared and published by the PI as a book chapter in the global project "Handbook of Quantum Gravity" (Living Edition) by the Springer Publishers (2023).

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

The progress of this research was according to the plan, though it was slower than expected. Our new results were essentially limited to the classical models without supersymmetry. Quantum corrections are expected to lead to the perturbative upper bound on the amplitude of large scalar perturbations responsible for primordial black hole production and, hence, may overrule the classical results. Therefore, calculations of quantum (loop) corrections to our classical models are necessary. Next, our results still need to be extended to supergravity, which is highly constrained by supersymmetry. Observational signatures of our models of inflation and primordial black hole production should also be explored.

今後の研究の推進方策

We are going to further proceed with our research project according to the original plan by focusing on the unsolved problems in our research. Amongst them are (i) calculations of one-loop and two-loop quantum corrections to our classical model in modified gravity, (ii) extending our models of viable inflation to supergravity motivated by superstring theory and/or extending the Starobinsky model of inflation to the superstring-motivated supergravity, and (iii) calculating the spectrum and frequencies of the gravitational waves induced by production of primordial black holes in our models.
We expect to extend our international research collaboration for those purposes and attract more graduate students to our research.

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (22件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (5件) 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 11件、 査読あり 11件、 オープンアクセス 9件) 学会発表 (4件) (うち招待講演 4件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Moscow State University/Tomsk State University(ロシア連邦)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Chulalongkorn University(タイ)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Chung-Ang University(韓国)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Sichuan University/Fudan University(中国)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Bonn University(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] The Relationships between Active Galactic Nucleus Power and Molecular Gas Mass within 500 pc of the Center of Elliptical Galaxies2024

    • 著者名/発表者名
      Fujita Yutaka、Izumi Takuma、Nagai Hiroshi、Kawakatu Nozomu、Kawanaka Norita
    • 雑誌名

      The Astrophysical Journal

      巻: 964 号: 1 ページ: 29-29

    • DOI

      10.3847/1538-4357/ad28c0

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Production of Primordial Black Holes in Improved E-Models of Inflation2023

    • 著者名/発表者名
      D. Frolovsky, S.V. Ketov
    • 雑誌名

      Universe

      巻: 9 号: 6 ページ: 294-294

    • DOI

      10.3390/universe9060294

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Improved Model of Primordial Black Hole Formation after Starobinsky Inflation2023

    • 著者名/発表者名
      S. Saburov, S.V.Ketov
    • 雑誌名

      Universe

      巻: 9 号: 7 ページ: 323-323

    • DOI

      10.3390/universe9070323

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Schwarzschild-type black holes in Starobinsky-Bel-Robinson gravity2023

    • 著者名/発表者名
      Campos Delgado Ruben、Ketov Sergei V.
    • 雑誌名

      Physics Letters B

      巻: 838 ページ: 137690-137690

    • DOI

      10.1016/j.physletb.2023.137690

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Pole inflation and primordial black holes formation in Starobinsky-like supergravity2023

    • 著者名/発表者名
      Aoki Shuntaro、Ishikawa Ryotaro、Ketov Sergei V
    • 雑誌名

      Classical and Quantum Gravity

      巻: 40 号: 6 ページ: 065002-065002

    • DOI

      10.1088/1361-6382/acb884

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Fitting Power Spectrum of Scalar Perturbations for Primordial Black Hole Production during Inflation2023

    • 著者名/発表者名
      Frolovsky Daniel、Ketov Sergei V.
    • 雑誌名

      Astronomy

      巻: 2 号: 1 ページ: 47-57

    • DOI

      10.3390/astronomy2010005

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Formation of primordial black holes after Starobinsky inflation2022

    • 著者名/発表者名
      Frolovsky Daniel、Ketov Sergei V.、Saburov Sultan
    • 雑誌名

      Modern Physics Letters A

      巻: 37 号: 21

    • DOI

      10.1142/s0217732322501358

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Starobinsky-Bel-Robinson Gravity2022

    • 著者名/発表者名
      Ketov Sergei V.
    • 雑誌名

      Universe

      巻: 8 号: 7 ページ: 351-351

    • DOI

      10.3390/universe8070351

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Inflation, SUSY breaking, and primordial black holes in modified supergravity coupled to chiral matter2022

    • 著者名/発表者名
      Aldabergenov Yermek、Addazi Andrea、Ketov Sergei V.
    • 雑誌名

      The European Physical Journal C

      巻: 82 号: 8

    • DOI

      10.1140/epjc/s10052-022-10654-w

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] E-models of inflation and primordial black holes2022

    • 著者名/発表者名
      Frolovsky Daniel、Ketov Sergei V.、Saburov Sultan
    • 雑誌名

      Frontiers in Physics

      巻: 10

    • DOI

      10.3389/fphy.2022.1005333

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] On the superstring-inspired quantum correction to the Starobinsky model of inflation2022

    • 著者名/発表者名
      Ketov Sergei V.、Pozdeeva Ekaterina O.、Vernov Sergey Yu.
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 2022 号: 12 ページ: 032-032

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2022/12/032

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Inflation and production of primordial black holes in modified supergravity2023

    • 著者名/発表者名
      S.V.Ketov
    • 学会等名
      The 30th International Conference on Supersymmetry and Unification of Fundamental Interactions, Southampton, UK
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Production of primordial black holes in single-field models of inflation2023

    • 著者名/発表者名
      S.V.Ketov
    • 学会等名
      Workshop on the Standard Model and Beyond, Corfu, Greece
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Production of primordial black holes as a probe of high-scale inflation and supersymmetry2023

    • 著者名/発表者名
      S.V.Ketov
    • 学会等名
      Kavli IPMU Focus Week on Primordial Black Holes, Kashiwa, Japan
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Inflation and gravitational effective action from higher dimensions2022

    • 著者名/発表者名
      S.V.Ketov
    • 学会等名
      International Workshop on the Standard Model and Beyond
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [図書] Inflationary Cosmology from Supergravity, Handbook of Quantum Gravity2023

    • 著者名/発表者名
      S.V. Ketov
    • 総ページ数
      46
    • 出版者
      Springer, Singapore
    • ISBN
      9789811930799
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [備考] Ketov Homepage

    • URL

      https://hep-th.fpark.tmu.ac.jp/~ketov/ketov.htm

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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