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2020 年度 実績報告書

軽いダークマターの生成と進化に関する理論的探究

計画研究

研究領域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
研究課題/領域番号 20H05851
研究機関東北大学

研究代表者

高橋 史宜  東北大学, 理学研究科, 教授 (60503878)

研究分担者 川崎 雅裕  東京大学, 宇宙線研究所, 教授 (50202031)
北嶋 直弥  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (50737955)
山田 將樹  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (20871106)
研究期間 (年度) 2020-11-19 – 2025-03-31
キーワードダークマター / 宇宙背景放射 / 重力波 / ソリトン
研究実績の概要

山田と高橋は,NANOGravによるパルサータイミング実験のデータが重力波のようなシグナルを示唆していることから、それが初期宇宙における相転移のダイナミクスにおいて放射されたものであるとしたときに得られる示唆に関して研究を行った。その結果,相転移のエネルギースケールは数十から数百MeVとなることが分かり、そのエネルギー付近にダークマターがある存在する可能性および暗黒輻射が生成される可能性が考えられた。高橋は,宇宙背景輻射の偏光観測によって得られた複屈折のヒントをアクシオンドメインウォールで説明する可能性を殷氏とともに提唱し,それが与える複屈折の非等方性について評価した。特にドメインウォールネットワークのモデルを構築し,複屈折の非等方スペクトルが特徴的な形をしていることを明らかにし,将来の観測によって検証可能であることを示した。川崎は非常に軽い質量をもつアクシオン模型に関して、数値格子シミュレーションを用いて宇宙初期にノントポロジカル・ソリトンが生成されることを確かめその空間分布からソリトンが作る密度揺らぎを評価した。北嶋と高橋は軽いダークマターの代表例であるQCDアクシオンの進化の過程において、Witten効果により、高密度のバブル形成が起き、結果として原始ブラックホール(primordial black holes)が形成される可能性を指摘した。また、北嶋はアクシオンの自己相互作用による共鳴現象の解析や、アクシオンとhidden photonの共鳴による重力波生成に関する解析を行った。

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

NANOGravによるパルサータイミング観測における重力波のヒント,およびPlanck衛星による宇宙背景輻射偏光データの再解析による複屈折の示唆,という新たな実験結果に対し,直ちにその宇宙論的な含意を明らかにするといった顕著な業績をあげることができている。

今後の研究の推進方策

山田は今後も軽いダークマターをどのように検証するかについての研究を継続する。特にアクシオンダークマターの宇宙背景放射に対する影響に関する研究、宇宙の小スケールの構造に関する問題を解決するSIMPのような自己相互作用するダークマターに関する研究を行う。高橋は研究を総括するとともに,ステライルニュートリノの新たな生成過程の提案,ダークフォトンによるミューオンg-2の説明とダークマターとの関係,宇宙背景輻射の複屈折を説明するダークマター模型に関して研究を行なう。川崎は軽いアクシオンが作るノントポロジカル・ソリトンに着目し、今年度の成果を基にソリトン生成がダークマターの密度ゆらぎのパワースペクトルに与える影響を調べ、それがCMBや21cm線による観測によって検証可能かを評価する。北嶋はアクシオンがhidden photonの共鳴的生成を引き起こすモデルにおいて、hidden higgsを含めた解析を行う。特に、非熱的に生成されたhidden photonが作る有効ポテンシャルにより、hidden higgsがインフラトンとなる可能性を格子シミュレーションを用いて探る。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 3件、 査読あり 8件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 6件、 招待講演 6件)

  • [国際共同研究] Tsung-Dao Lee Institute/Shanghai Jiao Tong University(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      Tsung-Dao Lee Institute/Shanghai Jiao Tong University
  • [雑誌論文] Gravitational waves and dark radiation from dark phase transition: Connecting NANOGrav pulsar timing data and hubble tension2021

    • 著者名/発表者名
      Nakai Yuichiro、Suzuki Motoo、Takahashi Fuminobu、Yamada Masaki
    • 雑誌名

      Physics Letters B

      巻: 816 ページ: 136238~136238

    • DOI

      10.1016/j.physletb.2021.136238

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] NANOGrav Results and LIGO-Virgo Primordial Black Holes in Axionlike Curvaton Models2021

    • 著者名/発表者名
      Inomata Keisuke、Kawasaki Masahiro、Mukaida Kyohei、Yanagida Tsutomu T.
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 126 ページ: 1

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.126.131301

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Oscillons of axion-like particle: mass distribution and power spectrum2021

    • 著者名/発表者名
      Kawasaki Masahiro、Nakano Wakutaka、Nakatsuka Hiromasa、Sonomoto Eisuke
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 2021 ページ: 061~061

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2021/01/061

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Kilobyte Cosmic Birefringence from ALP domain walls2021

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Fuminobu、Yin Wen
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 2021 ページ: 007~007

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2021/04/007

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Can axion clumps be formed in a pre-inflationary scenario?2021

    • 著者名/発表者名
      Fukunaga Hayato、Kitajima Naoya、Urakawa Yuko
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 2021 ページ: 015~015

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2021/02/015

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nano-Hz Gravitational-Wave Signature from Axion Dark Matter2021

    • 著者名/発表者名
      Kitajima Naoya、Soda Jiro、Urakawa Yuko
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 126 ページ: 121301

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.126.121301

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Big-bang nucleosynthesis with sub-GeV massive decaying particles2020

    • 著者名/発表者名
      Kawasaki Masahiro、Kohri Kazunori、Moroi Takeo、Murai Kai、Murayama Hitoshi
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 2020 ページ: 048~048

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2020/12/048

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Primordial black holes from QCD axion bubbles2020

    • 著者名/発表者名
      Kitajima Naoya、Takahashi Fuminobu
    • 雑誌名

      Journal of Cosmology and Astroparticle Physics

      巻: 2020 ページ: 060~060

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2020/11/060

    • 査読あり
  • [学会発表] 重力波で探るアクシオン宇宙2021

    • 著者名/発表者名
      北嶋直弥
    • 学会等名
      若手による重力宇宙論研究会2021
    • 招待講演
  • [学会発表] Light dark matter2021

    • 著者名/発表者名
      高橋史宜
    • 学会等名
      What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] KiloByte Cosmic Birefringence and ALP domain walls2021

    • 著者名/発表者名
      高橋史宜
    • 学会等名
      Dark Matter as a Portal to New Physics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] NANOGrav and first-order phase transition in the early Universe and its implication to H0 tension2020

    • 著者名/発表者名
      山田將樹
    • 学会等名
      KEK-PH Lectures and Workshops 2020 (KEK-Cosmo GW)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Present status of axion theories and searches and ALP DM interpretation of the XENON1T excess2020

    • 著者名/発表者名
      山田將樹
    • 学会等名
      Kashiwa DM symposium 2020
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] アクシオン暗黒物質のnHz重力波シグナル2020

    • 著者名/発表者名
      北嶋直弥
    • 学会等名
      第9回観測的宇宙論ワークショップ
  • [学会発表] Primordial Black Holes from QCD Axion Bubbles2020

    • 著者名/発表者名
      北嶋直弥
    • 学会等名
      Online JGRG workshop 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] Axion dark matter as an explanation for XENON1T excess2020

    • 著者名/発表者名
      高橋史宜
    • 学会等名
      Less-traveled-path of dark matter
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2021-12-27  

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