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2023 年度 実績報告書

量子重力理論から迫るダークマター

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 20H05860
研究機関東京大学

研究代表者

山崎 雅人  東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 教授 (00726599)

研究分担者 白井 智  東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任助教 (10784499)
野村 泰紀  東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 客員上級科学研究員 (40647616)
齊藤 遼  山口大学, 大学院創成科学研究科, 講師 (70781392)
研究期間 (年度) 2020-11-19 – 2025-03-31
キーワードダークマター / 超弦理論 / 量子重力 / 沼地予想
研究実績の概要

本年度の大きな成果の一つとして、重力を含む有効場の理論の散乱振幅の「正値性」を用いることで、ダークセクターの模型に非常に強い制限を与える可能性を示唆した研究が挙げられる。(本研究班の白井、斎藤、山崎を含む6名による共同研究。arXiv:2305.10058 [hep-ph]としてプレプリントサーバーに掲載、現在査読中。)この研究では散乱振幅の解析性や高エネルギーでの振る舞いなどごく少数の仮定から出発し、ダークセクターの相互作用の強さに下限を与えることに成功した。通常のダークマターの探索実験・観測においては、相互作用の強さに条件を与えることはできるが、相互作用の強さに下限を与えることはできない。従って仮に実験でダークセクターのシグナルが見つからなかった時には、その制限以上に弱い相互作用を考えることで実験の制限を逃れることが常に可能である。しかし、本研究により得られた下限を用いることで、ダークセクターの模型を完全に排除することが原理的に可能になる。上述した我々の研究では、量子重力について一定の仮定が必要であること、また論文で解析された模型が必ずしも現実的な標準模型・ダークセクターの模型でないことなどの改善の余地はある。しかし、少なくとも原理的に下限が存在することを具体的に示してみせたという点において、本研究は画期的な成果であると考えている。
このほかにも、ILCのビームを用いた軽いアキシオン探索、ドジッター空間の微視的状態の半古典的理解、宇宙の複屈折を標準模型の範疇で説明できるかの議論、量子重力由来の大域対称性の破れのダークマター・重力波の探索、弱い重力予想を用いた軽いアキシオンとニュートリノへの制限など、量子重力・素粒子現象論・宇宙論の各分野を横断する成果が続々と得られており、本研究班でのこれまでの様々な活動が実を結びつつあるといえる。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本学術変革を通じて公募研究参加者の野海氏らと共同研究を開始するに至り、量子重力の制限を用いることでダークセクターの模型に非常に強い制限を与えることができた。この研究は、ダークマターの広大なパラメーター領域を網羅的に探索するという本学術変革の研究に、量子重力ならではの制限を与えたユニークな研究である。このほかにも、研究分担者・研究代表者の専門性を組み合わせ、さらには本学術変革他班や公募研究のメンバーとも共同研究を進めることにより量子重力・素粒子現象論・宇宙論の各分野を横断する成果が続々と得られており、当初の計画を上回る成果が得られていると評価できる。

今後の研究の推進方策

本研究の開始から現在まで多彩な研究成果が得られてきており、当初計画を上回るめざましい成果が続々得られてきている。従って、基本的にはこれまでの方針を継続していけば良いと考えている。より具体的な研究テーマの一例として、量子重力から期待される沼地予想の一つとして、「厳密な大域対称性は量子重力では破れていなければいけない」という予想が存在しており、これらの予想の現象論的帰結を系統的に調べる予定である。また、沼地予想の近年の研究では沼地予想自体もアップデートされるようになってきており、たとえばdS予想やAdS予想と呼ばれる沼地予想の修正版も最近議論されるようになってきており、これらの新しい予想を取り入れてダークマターの物理を議論することにも挑戦したい。このほか、過去に雇用した博士研究員や世界中の共同研究者などのネットワークを駆使し、研究成果のアピールにも努めたい。特に最終年度となる2024年度夏には小規模な研究集会の開催も計画している。

  • 研究成果

    (35件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 4件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 8件) 学会発表 (18件) (うち国際学会 16件、 招待講演 14件) 図書 (1件) 備考 (2件) 学会・シンポジウム開催 (3件)

  • [国際共同研究] ミュンヘン工科大学/マックスプランク研究所(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      ミュンヘン工科大学/マックスプランク研究所
  • [国際共同研究] UCバークレー/ペンシルバニア大学(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      UCバークレー/ペンシルバニア大学
  • [国際共同研究] サイスハンプトン大学(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      サイスハンプトン大学
  • [雑誌論文] Quantum gravity effects on dark matter and gravitational waves2024

    • 著者名/発表者名
      Stephen F. King,Rishav Roshan,Xin Wang,Graham White,Masahito Yamazaki
    • 雑誌名

      Physical Review D

      巻: 109 ページ: 24057

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.109.024057

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] De Sitter space is sometimes not empty2024

    • 著者名/発表者名
      Vijay Balasubramanian Yasunori Nomura, Tomonori Ugajin
    • 雑誌名

      JHEP 02 (2024) 135

      巻: 02 ページ: 135

    • DOI

      10.1007/JHEP02(2024)135

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Precise estimate of charged Higgsino/Wino decay rate2024

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Ibe, Yuhei Nakayama, Satoshi Shirai
    • 雑誌名

      JHEP

      巻: 03 ページ: 012

    • DOI

      10.1007/JHEP03(2024)012

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Revisiting Metastable Cosmic String Breaking2024

    • 著者名/発表者名
      Akifumi Chitose, Masahiro Ibe, Yuhei Nakayama, Satoshi Shirai, Keiichi Watanabe
    • 雑誌名

      JHEP

      巻: 04 ページ: 068

    • DOI

      10.1007/JHEP04(2024)068

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Can we explain cosmic birefringence without a new light field beyond Standard Model?2024

    • 著者名/発表者名
      Yuichiro Nakai, Ryo Namba, Ippei Obata, Yu-Cheng Qiu, Ryo Saito
    • 雑誌名

      JHEP

      巻: 01 ページ: 057

    • DOI

      10.1007/JHEP01(2024)057

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Precise Estimate of Charged Wino Decay Rate2023

    • 著者名/発表者名
      Masahiro Ibe, Masataka Mishima, Yuhei Nakayama, Satoshi Shirai
    • 雑誌名

      JHEP

      巻: 01 ページ: 017

    • DOI

      10.1007/JHEP01(2023)017

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Enhanced prospects for direct detection of inelastic dark matter from a non-galactic diffuse component2023

    • 著者名/発表者名
      Gonzalo Herrera, Alejandro Ibarra and Satoshi Shirai
    • 雑誌名

      JCAP04(2023)026

      巻: 04 ページ: 026

    • DOI

      10.1088/1475-7516/2023/04/026

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Ostrogradsky mode in scalar-tensor theories with higher-order derivative couplings to matter2023

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Naruko, Ryo Saito, Norihiro Tanahashi, Daisuke Yamauchi
    • 雑誌名

      PTEP

      巻: 5 ページ: 053E02

    • DOI

      10.1093/ptep/ptad049

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Revisiting Metastable Cosmic String Breaking2024

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      20th Rencontres du Vietnam
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Advancements and Prospects in WIMP Dark Matter Detection2024

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      UGAP2024
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] WIMP Dark Matter at Collider2024

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      Hokkaido Workshop on Particle Physics at Crossroads
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Revisiting Metastable Cosmic String Breaking2024

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      Workshop on Grand Unified Theory, Phenomenology and Cosmology (GUTPC)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Updates on C01 group2024

    • 著者名/発表者名
      Masahito Yamazaki
    • 学会等名
      Dark Matter Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Status of WIMP Dark Matter2023

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      Workshop for Tera-Scale Physics and Beyond
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Precise Estimate of Decay of Charged Fermion in Electroweak-Charged Dark Matter Model2023

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      PASCOS 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] Gravitational Positivity Bounds on Dark Sector2023

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      SUSY 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] Higgsino / Wino search2023

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Shirai
    • 学会等名
      DMNet International Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] String Theory for Our Universe2023

    • 著者名/発表者名
      Masahito Yamazaki
    • 学会等名
      Present and Future of Particle Physics
    • 招待講演
  • [学会発表] Gravitational Positivity for Dark Gauge Bosons2023

    • 著者名/発表者名
      Masahito Yamazaki
    • 学会等名
      The 3rd Asian-European-Institutes Workshop for BSM
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Gravitational Positivity for Dark Gauge Bosons2023

    • 著者名/発表者名
      Masahito Yamazaki
    • 学会等名
      The Dark Side of the Universe
    • 国際学会
  • [学会発表] Black Hole and de Sitter Microstructures from a Semiclassical Perspective2023

    • 著者名/発表者名
      Yasunori Nomura
    • 学会等名
      6th International Conference on Holography, String Theory and Spacetime
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Multiverse Cosmology2023

    • 著者名/発表者名
      Yasunori Nomura
    • 学会等名
      The 69th Nuclear, Particle, and High Energy Tripartite Young Summer School
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Complementarity Demystified and Holography as a Model of Observation2023

    • 著者名/発表者名
      Yasunori Nomura
    • 学会等名
      ExU-YITP Workshop on Holography, Gravity and Quantum Information
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Complementarity and Complexity for Evaporating Balck Holes2023

    • 著者名/発表者名
      Yasunori Nomura
    • 学会等名
      New Developments in Holography
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ostrogradsky mode in scalar-tensor theories with higher-order derivative couplings to matter2023

    • 著者名/発表者名
      Ryo Saito
    • 学会等名
      JGRG32
    • 国際学会
  • [学会発表] Identifying the inflationary GW background in other stochastic signals2023

    • 著者名/発表者名
      Ryo Saito
    • 学会等名
      「超精密かつ多スケール・多粒子観測時代における相対論的宇宙論の確立と宇宙像の探求」 第1回ワークショップ
    • 招待講演
  • [図書] 多元宇宙(マルチバース)論集中講義2024

    • 著者名/発表者名
      野村泰紀
    • 総ページ数
      208
    • 出版者
      扶桑社新書
    • ISBN
      4594095704
  • [備考] Masahito Yamazaki, a physicist/mathematician

    • URL

      http://member.ipmu.jp/masahito.yamazaki/index.shtml

  • [備考] Masahito Yamazaki 【 山崎雅人(物理学者・数学者)】

    • URL

      https://www.youtube.com/@masahito.yamazaki

  • [学会・シンポジウム開催] Mathematics and Physics of W-algebras,2024

  • [学会・シンポジウム開催] Tsinghua-Tokyo workshop on Calabi-Yau2024

  • [学会・シンポジウム開催] Asian-European-Institutes Workshop for BSM2023

URL: 

公開日: 2024-12-25  

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