| 研究課題/領域番号 |
23K20231
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| 補助金の研究課題番号 |
20H01894 (2020-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2020-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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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 | 東北大学 |
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研究代表者 |
高橋 史宜 東北大学, 理学研究科, 教授 (60503878)
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| 研究分担者 |
石渡 弘治 金沢大学, 数物科学系, 准教授 (40754271)
北嶋 直弥 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (50737955)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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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 |
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2024年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2023年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2022年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
2021年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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| キーワード | WISP / 極弱粒子 / 初期宇宙 / インフレーション / 暗黒物質 / ブラックホール |
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| 研究開始時の研究の概要 |
標準理論粒子との相互作用が極めて弱く軽い新粒子 (以下，極弱粒子) は，標準理論を超える物理の有力候補のひとつとして，理論および実験の両面から世界中で活発に研究されている。極弱粒子はダークマターの有力な候補であるだけでなく，インフレーション，物質の起源，宇宙の熱史といった初期宇宙進化に加え，天体進化や超弦理論とも密接に関わる。この極弱粒子の宇宙進化、観測への含意を明らかにする。
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| 研究実績の概要 |
石渡は、先行研究を拡張し磁性相転移境界における絶縁体中アクシオン質量の理論予言値を与えた。またアクシオン相互作用が与えうる曲率ゆらぎから、現在のハロー構造への影響を定量的に評価した。北嶋は極弱粒子の一つであるダークフォトンに着目し、特に宇宙ひもから生成される可能性を明らかにした。また、観測的シグナルである重力波のスペクトルを算出し、将来における観測可能性を明らかにした。高橋は電磁相互作用に関してアノマリー的結合を持たないアクシオンがダークマターとなるシナリオに着目し、それが電子の閾値補正による結合を通じて光子に崩壊する過程による制限を導出した。とくに、これまで見逃されていたヒッグス多重項との混合による新たなアクシオン-光子結合による寄与を発見した。また高橋と北嶋はインフレーション中に生成されたスケール不変な揺らぎを初期値に持つドメインウォールに着目し、従来信じられていたのとは大きく異なり、population biasに対してこのようなドメインウォールが極めて安定であることを示した。またアクシオンがこのようなインフレーション揺らぎ由来によるドメインウォールを形成した場合、宇宙複屈折の非等方性分に特徴的なシグナルを予言することを見いだした。将来のCMB観測であるLiteBIRDやCMB-S4によってこの予言は十分に検証可能である。また高橋は一次相転移によってアクシオンダークマターが生成する新たなシナリオを発表し、従来よりも遥かに広いパラメター領域でアクシオンがダークマターとなりうることを明らかにした。
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| 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
アクシオンやダークフォトンといった極弱粒子の有力な候補に関して、その新たな生成機構を複数提唱したり、磁性相転移境界における絶縁体中アクシオン質量の理論予言値を与えるなど、順調に研究成果をあげている。またドメインウォールの安定性という、これまで多くの文献で調べられてきた重要なテーマに関して、インフレーション起源由来の揺らぎの場合には従来の理解とは大きく異なり、非常に安定なネットワークを構成することを発見した。これによってドメインウォールが与える宇宙論的影響は大きく異なることになり、非常にインパクトの大きい成果と言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
石渡、小スケールにおいてアクシオン相互作用が与える現実的な曲率ゆらぎを考え、そのゆらぎをソースとするハロー進化を解析する。その解析を元に現在のハロー構造の観測データと比較し、初期宇宙におけるアクシオンの性質への制限を与える。北嶋はダークフォトンを生成する宇宙ひものダイナミクスに関して、より精緻化されたシミュレーションを行い、特にスケーリング則を検証する。その上で、ダークフォトンの残存量及び放出される重力波の生成量をより正確に算出する。高橋はkeVスケールの質量をもつアクシオンに関して、標準理論ヒッグスを含む拡張ヒッグスセクターから必然的に生成される量を求め、それが与える観測実験的制限を明らかにする。これによりkeVスケールの質量を持つアクシオンがダークマターとなりうるパラメター領域を明らかにする、
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