2020 Fiscal Year Research-status Report
Exploring the early Universe phenomena through cosmological magnetic fields
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19K03842
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
鎌田 耕平 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (60835362)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 宇宙磁場 / 重力波 / 物質反物質非対称 / カイラル量子異常 / 右巻きニュートリノ / バリオン等曲率揺らぎ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度は、まず、初期宇宙において磁場があった場合、熱浴中の光子が重力波に変化する現象に注目し、この重力波が現在の重力波背景放射にどのように寄与するかを調べた。その結果、最大密度パラメータで10^{-10}オーダーの重力波がGHzスケールに現れうることが示された。この結果は2020年10月にPhysical Review D誌に発表された。
さらに、ヘリカルな磁場から宇宙の物質反物質非対称を生成するシナリオにおいて、生成された物質の分布が空間的な揺らぎを持つことに注目し、ビッグバン元素合成との整合性からこのシナリオに制限がつけられることを示した。初期宇宙にあったのがヘリカルでない磁場で現在の平均的な物質量を説明しない場合でも物質分布の揺らぎは生成されることも併ると、ブレーザーの観測から示唆される磁場は、もし電弱相転移前に存在していたのであれば、この物質揺らぎの制限を逃れることができず、現在の宇宙を説明できないことがわかった。つまり、ブレーザーの観測から示唆される磁場は電弱相転移後に作られれねばならないことになる。この結果を2021年4月にJournal of Cosmology and Astroparticle Physics誌で発表するとともに、NECO on-line Workshopでの招待講演やスイス工科大学ローザンヌ校等のセミナーで発表した。
また、アクシオンインフレーションにおいてヘリカルな磁場と物質反物質非対称が同時に生成されることを念頭に置き、右巻きニュートリノの存在が磁場と物質反物質非対称の発展に関してどのような影響があるかを調べた。結果、右巻きニュートリノによってレプトン非対称が生成される効果によって、磁気ヘリシティと物質反物質非対称の対消滅が逃れられることができることがわかった。この結果はPhysical Review Letters誌に発表予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
コロナ禍による移動の制限のため、対面での議論、研究発表の機会は失われたが、zoom、overleaf、slack等による研究の効率化を図った。
当初の研究計画を進めるにあたり、まず磁場からの物質反物質非対称生成シナリオの再吟味が必要不可欠であると考え、これまで細かく調べていなかった物質分布の空間揺らぎの影響を精査した。結果、物質反物質非対称と現在の銀河間磁場の関係に関して予想以上に厳しい制限が得られたことは特筆に値する。また、このシナリオを実現する最も現実的な初期宇宙の模型のひとつであるアクシオンインフレーションにおいては、インフレーション修了時にできたヘリカル磁場と物質反物質非対称の対消滅が起こり、最終的に物質反物質非対称が残らない可能性があったが、素粒子標準模型の自然な拡張である右巻きニュートリノを考慮することにより、インフレーション、物質反物質非対称、ニュートリノ質量といった複数の宇宙の謎が同時に解決される統一的な模型に昇華されることが示された。
この研究計画において重要な役割を果たすカイラル量子異常は、当初注目していたゲージ場だけでなく、重力波に対しても類似した効果を示すことが、初期宇宙において重要な役割を果たしうることがわかり、それに関する研究も進められている。
これらの研究は磁場による物質反物質非対称性生成機構の理解を深める上で重要な成果であり、当初計画していた銀河間磁場の検出およびカイラル磁気流体力学の定式化よりも優先順位が高いと判断し、研究を遂行した。銀河間磁場の検出に関しては大阪大学の井上芳幸氏、富山大学の広島渚氏、カイラル磁気流体力学の定式化に関しては名古屋大学の藤原素子氏、慶應大学の山本直希氏らと議論を進めている段階である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、引き続き、銀河間磁場の検出に関しては大阪大学の井上芳幸氏、富山大学の広島渚氏、カイラル磁気流体力学の定式化に関しては名古屋大学の藤原素子氏、慶應大学の山本直希氏らと議論を進めていく予定である。
アクシオンインフレーションと右巻きニュートリノによる現在の宇宙の統一的理解は、それだけで重要なシナリオであることがわかったため、磁場生成と物質反物質非対称生成にとどまらず、このシナリオの綜合的な理解を深める研究を進めていく予定である。また、この研究を進めていくにあたり、より洗練された磁場からの物質反物質非対称生成機構の記述が可能であることがわかったため、その定式化を現在進めているところである。インフレーション中の磁場生成に付随する粒子生成による反作用に関しても、この数年研究が進められているダイナミカルな背景場による非摂動効果の定式化を用いればより現実的な推定ができる可能性があると考えている。
また、重力波によるカイラル量子異常の効果は物質反物質非対称のみならず、反作用として重力波の複屈折を生じさせることがわかったため、その研究も進めていきたい。そこから初期宇宙における磁場と物質反物質非対称の共発展に関しても何らかの知見が得られるものと考えられる。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍により、参加予定であった国内外の研究会、研究機関、大学への訪問、および研究者の招聘が不可能となったため、次年度使用額が生じた。オンラインによる研究の議論は可能であるものの、やはりオフラインの研究会で他の研究者と直接質疑応答できる発表をすること、その他ブレーン ストーミング的な議論をすることは重要であり、コロナ禍が収まり、国内外の研究会への参加、研究機関への訪問、および国内外の研究者の招聘を行い、より集中的な研究の遂行を行う予定である。
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