宇宙論的加速器物理学に基づくインフレーション宇宙を構成する素粒子の探索

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K14718
• 研究機関: 香川高等専門学校
• 研究代表者: 白石 希典 香川高等専門学校, 一般教育科(高松キャンパス), 講師 (00803446)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: インフレーション / 高スピン場 / CMB / 銀河 / 中性水素21cm / 重力波 / アクシオン / 非ガウス性

研究実績の概要

本研究では、素粒子固有の性質である「スピン」を指標として、(1)理論、(2)観測双方向からのアプローチによってインフレーションの構成粒子の特定を目指す。以下が本年度の研究成果である。
(1)に関して: 1. アクシオンとSU(2)ゲージ場(スピン1)の存在するインフレーションモデルで生成される重力波2点相関関数の形状はアクシオンポテンシャルに強く依存することを発見し、その形状を宇宙マイクロ波背景放射(CMB)のBモード観測でどの程度見分けられるか詳細に調べた。2. 原始重力子(スピン2)などから生じる長波長潮汐力場によって観測される銀河分布に特異な非等方性が現れ、我々が先行研究で開発した解析手法を適用すればそのシグナルをバイアスなく測定できることを発見した。
(2)に関して: 1. CMB3点相関関数の温度場とE/Bモード偏光場との相互相関も含めた一般的なデータ解析手法を開発した。2. NASA WMAP衛星による温度場の観測データを用いてWeyl重力で生じる重力子の非ガウス性を測定し、高スピン場の存在可能性に対する観測的制約を得た。さらに、JAXA LiteBIRD衛星によるBモード偏光場の将来観測によって制限結果の精度が数桁向上することを発見した。3. LiteBIRDの装置開発に関する研究や、他の将来観測計画に関する提言などを行った。
上記の成果はすでに複数の論文にまとめ、世界に公表している。また、重力子の非ガウス性の観測的研究に関する総説論文も出版しており、反響を得ている。これらを今後の研究で発展させ、インフレーションの構成粒子に関する包括的理解を目指す。

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、(1)の理論的研究のみを行う予定であったが、上記の通り、(1)も予定通り進展し、かつ、(2)の観測的研究の進展もあった。さらに、次年度以降に行うテーマについてもすでに研究を進めている。上記の進捗状況から、当初の計画以上に研究が進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

(1)に関しては、まず、スピン1のインフレーションモデルの現象論的研究を徹底的に行う。アクシオンとSU(2)ゲージ場の存在するモデルにおいて、重力波4点相関関数を計算し、将来のCMB観測や背景重力波干渉計による観測での検出可能性を調べるのが近々の課題である。その後、高スピン場の存在する種々のモデルにおいて、予言されるCMB、銀河、中性水素21cm、背景重力波などの多点相関関数を計算し、その観測可能性を議論する。
(2)に関しては、(1)で理論予言した種々のモデルにおけるシグナルを、CMBや銀河の最新観測データを用いて検証する。また、そのためのデータ解析手法を開発する。当初は、2021年度、2022年度に行う予定であったが、2020年度にも(1)と並行して進める。
各々のプロジェクトが完成次第、順次論文としてまとめ、世界に公表していく。また、関連する新たなプロジェクトの発掘にも努め、挑戦していく。

次年度使用額が生じた理由

当該助成金が生じた状況: 新型コロナウイルス感染症の蔓延拡大の影響で、年度末に参加予定であった国際会議や研究協力者とのミーティングが相次いで延期となり、それにかかる出張旅費が必要なくなった。
翌年度分として請求した助成金と合わせた使用計画: 当初の予定配分額分は、国内外の出張旅費とコンピュータや周辺機器の購入費に充てる。今回生じた次年度使用額分は、延期となった国際会議やミーティングが開催される予定であるため、その参加のための旅費に充てる。

研究成果

• [国際共同研究] Leiden University/Nikhef/SRON(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: Leiden University/Nikhef/SRON
• [国際共同研究] University of Geneva/CERN(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: University of Geneva/CERN
• [国際共同研究] University of Padova/INFN/INAF(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: University of Padova/INFN/INAF
  • 他の機関数: 8
• [国際共同研究] University of Cambridge/Cardiff University/University College London(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Cambridge/Cardiff University/University College London
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] National Technical University of Athens(ギリシャ)
  • 国名: ギリシャ
  • 外国機関名: National Technical University of Athens
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 9
• [雑誌論文] Updated design of the CMB polarization experiment satellite LiteBIRD (2020)
  • 著者名/発表者名: LiteBIRD Collaboration: H. Sugai, P. A. R. Ade, Y. Akiba, ..., M. Shiraishi et al.
  • 雑誌名: Journal of Low Temperature Physics 巻: - ページ: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tensor spectra templates for axion-gauge fields dynamics during inflation (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujita Tomohiro、Sfakianakis Evangelos I.、Shiraishi Maresuke
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2019 ページ: 057～057
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1475-7516/2019/05/057
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Probing the origin of our Universe through cosmic microwave background constraints on gravitational waves (2019)
  • 著者名/発表者名: Sarah Shandera, Peter Adshead, Mustafa Amin, Emanuela Dimastrogiovanni, Cora Dvorkin, Richard Easther, Matteo Fasiello, Raphael Flauger, John T. Giblin, Jr, Shaul Hanany, Lloyd Knox, Eugene Lim, Liam McAllister, Joel Meyers, Marco Peloso, Graca Rocha, Maresuke Shiraishi, Lorenzo Sorbo, Scott Watson
  • 雑誌名: Bulletin of the American Astronomical Society 巻: 51, 3 ページ: 338
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] General modal estimation for cross-bispectra (2019)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi Maresuke、Liguori Michele、Fergusson James R.、Shellard E.P.S.
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 2019 ページ: 046～046
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1475-7516/2019/06/046
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] LiteBIRD: An All-Sky Cosmic Microwave Background Probe of Inflation (2019)
  • 著者名/発表者名: LiteBIRD Collaboration: A. T. Lee, P. Ade, Y. Akiba, ..., M. Shiraishi et al.
  • 雑誌名: Bulletin of the American Astronomical Society 巻: 51, 7 ページ: 286
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Constraining graviton non-Gaussianity through the CMB bispectra (2019)
  • 著者名/発表者名: De Luca Valerio、Franciolini Gabriele、Kehagias Alex、Riotto Antonio、Shiraishi Maresuke
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 100 ページ: 063535
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.100.063535
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Super-sample tidal modes on the celestial sphere (2019)
  • 著者名/発表者名: Akitsu Kazuyuki、Sugiyama Naonori S.、Shiraishi Maresuke
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 100 ページ: 103515
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.100.103515
  • 査読あり
• [雑誌論文] Tensor Non-Gaussianity Search: Current Status and Future Prospects (2019)
  • 著者名/発表者名: Shiraishi Maresuke
  • 雑誌名: Frontiers in Astronomy and Space Sciences 巻: 6 ページ: 49
  • DOI: https://doi.org/10.3389/fspas.2019.00049
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Finding higher spinning particles through cosmic symmetry breakings (2019)
  • 著者名/発表者名: 白石希典
  • 学会等名: 第一回科学研究部シンポジウム銀河赤方偏移探査による宇宙論研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Graviton non-Gaussianity search (2019)
  • 著者名/発表者名: Maresuke Shiraishi
  • 学会等名: CosKASI-ICG-NAOC-YITP Workshop 2019
  • 国際学会 / 招待講演