| 研究課題/領域番号 |
18K13537
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
藤田 智弘 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(PD) (20815857)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 宇宙論 / 重力波 / インフレーション |
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| 研究実績の概要 |
本研究課題では初期宇宙において存在した未知の物質による重力波の生成メカニズムと、結果として作られる重力波の性質を詳しく調べることを主な目的に定めている。本年度は以下の３つの可能性を検討した。(i) 最も基本的なゲージ粒子であるU(1)ゲージ場、光(フォトン)もこのタイプの粒子である (ii) より複雑であるが大きな重力波を作れることで知られるSU(2)ゲージ場 (iii) さらにその両者とは異なり、既に確立された素粒子標準模型には含まれていないが、超ひも理論が予言する2-form fieldという場。これらの物質が重力波を生成するメカニズムを考察し、作られる重力波の計算を遂行した。
(i) 特にU(1)ゲージ場は、作られる重力波の振幅に統計的異方性があること、すなわち特定の方向から来る重力波は振幅が大きくなる傾向にあり、別の方向から来るものは弱くなるという特異な性質があることが分かっている。私は共同研究者とともに、その特徴がLiteBIRDに代表される次世代の観測によってどこまで検出可能かを定量的に評価した。
(ii) SU(2)ゲージ場による重力波生成はよく調べられてきているが、我々は２つの新しい方向でさらなる精査を行った。１つはゲージ場にエネルギーを供給するスカラー場のポテンシャルが変わったときに重力波のスペクトルにどのような影響があるのか。もう１つは重力波と温度ゆらぎの相互相関という新しい観測量の計算である。特に前者の研究では、重力波スペクトルは大きく３種類に分類できることを示し、CMBによる観測可能性も検証した。
(iii) 先行研究では2-form fieldが初期宇宙に存在しても、大きな重力波は作られないと議論されていた。しかし我々は2-form fieldが実は大きな重力波を作る場合があり、さらにはU(1)ゲージ場とは異なる統計的異方性を生じさせることを示した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本年度は共同研究者らの尽力もあって、初期宇宙における物質由来の重力波というテーマの論文を４本書くことができた。その他にも物質由来ではないが、重力子が質量を持つような修正された重力理論の下での初期重力波に関する論文も１本出版できた。
特に共同研究者の Evangelos I. Sfakianakis氏には、彼の所属するアムステルダム大学/nikef研究所での滞在をサポートしてもらい、共同研究を大きく進めることができた。また、氏は京都大学基礎物理学研究所に滞在しに来てくださり、その間に論文の骨子が完成した。
立教大学の平松氏・横山氏（当時）も私が東京に出張する度に暖かく迎えていただき、議論を重ねて論文を完成させることができた。
通信技術の発展によって遠隔地でも効率よく協働することができるようになってきてはいるものの、やはり顔を合わせて議論し一緒に働く意義は大きいことを実感する１年であった。
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続き物質由来の重力波生成というテーマで研究を進めていきたい。これまでは主に素粒子による重力波生成に注目してきたが、それらに加えて、素粒子そのものではなくても初期宇宙において物質が作る構造、例えば位相欠陥によっても重力波が生成されうることが知られている。そのような可能性の中から、次世代の観測で検出可能なものがあるのか積極的に調べていきたい。
また、新しい研究の方向性として、個別の物質による重力波生成を調べていくのではなく、それらを統一的に扱える一般的な理論を構築するという方針も考えられる。一度そのような理論が作られれば、様々な重力波生成の可能性が、わかりやすい分類の下、見通しよく調査できることが期待される。そのような研究は初期重力波に対しては行われてこなかったが、既に温度ゆらぎ(スカラーゆらぎ）に対してはある程度の蓄積があるので、それらを参考にして進めていくことを考えている。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本年度後半、すわなち2018年10月～2019年3月には、日本学術振興会が特別研究員に対して提供する海外派遣支援プログラムを利用して、スイスのジュネーブに滞在した。その期間は、プログラムによる追加の経費支給の下、ジュネーブ大学およびCERN(欧州原子核研究機構)にいる研究者らとの共同研究にある程度注力したため、当初計画していたほどの旅費や人件費を使うことがなかった。ポーランドで行われた研究会には参加したが、これもジュネーブからの渡航だったので、日本から渡航する場合と比べると大きく費用が圧縮された。６ヶ月の滞在で欧州における人的ネットワークは大きく広がり、いくつもの共同研究を立ち上げることができた。学振のプログラムはすでに終了したので、今後は科研費を用いて欧州に渡航し、既存の共同研究を完成させていくとともに、新たな研究の可能性を模索していきたい。その際は、私が日本から欧州へ、あるいは共同研究を欧州から日本へと呼び寄せることになるので、有効に科研費を使用することになるはずである。
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