研究内容

(3)　宇宙の始まりと究極理論：

宇宙膨張のために、初期宇宙は非常に小さく、温度が高く、密度も高かったことがわかっています。その極小の世界を記述するのが素粒子理論で、重力を含む究極理論の候補として弦理論があげられます。そして宇宙が膨張するとともに温度が下がり、現在観測される宇宙に進化しました。この現在の極大の世界を扱うのが宇宙論です。初期宇宙論は究極理論や標準理論を超える物理と膨張宇宙を背景に密接に結びついています。初期宇宙に関する理解が進めば、標準理論を超える物理や究極理論に対して重要な制限を与えることになります。新しい物理が宇宙論を通して垣間見える可能性があります。

インフレーションはビッグバン宇宙論の初期値問題を解く一方で，インフレーション自体がどのように始まったのかについては全く分かっていません。ひとつの可能性は量子宇宙論に基づき，宇宙が無から創生されたというシナリオです。この場合，宇宙は正の曲率を持った小さな宇宙として誕生し，その後宇宙膨張を経て我々の宇宙につながります。しかし，この場合，どのようにインフレーションが生じたのか不明で，誕生後すぐに正の曲率によって潰れてしまう（ビッグクランチ)という可能性がありました。私は，収縮する宇宙が膨張に転じるbouncing cosmologyを，アインシュタイン重力の枠組みで平坦なポテンシャルを持つスカラー場というな構成で実現できることを初めて示しました [論文]。従来、bouncing cosmologyの実現は困難で，多くの場合，修正重力理論やexoticな性質を持つ物質場を導入する必要がありました。私は，このような特殊な設定を導入せずにアインシュタイン重力理論の枠組みでbouncing universeを実現することが可能であることを示し，かつbouncing universeの実現には平坦なポテンシャルを持つスカラー場の存在が本質的であり，従って，bounceの後に直ちにインフレーションが自然に実現することを示しました。これにより，従来はビッグクランチしてしまうと考えられていた宇宙も，平坦なポテンシャルを持つスカラー場のおかげでbounceし，その後インフレーションが実現することで，我々の宇宙を記述することが出来ることが分かりました。このような宇宙の始まりに関する研究を行っています。

(4) アクシオン：

アクシオンは擬南部ゴールドストンボソンで，その相互作用は崩壊定数により抑制されています。QCDアクシオンはQCDのstrong CP問題の解として提案されました。また，同様の性質を持つ多数のアクシオンが超弦理論から予言されています。特に光子との結合をもつアクシオンをaxion-like particle (ALP)と呼ぶことが多いです。アクシオンは一般に相互作用が弱く，質量が軽いことからダークマターの良い候補のひとつとして知られています。

アクシオンダークマターの生成機構としてもっとも有力なのがいわゆるmisalignment mechanismです。アクシオンは質量が軽いことから宇宙初期にポテンシャル最小値から一般に崩壊定数程度ずれていることが期待できます。その後振動を開始し，その振動エネルギーがダークマターとなります。

 私はQCDアクシオンの存在量に着目し，その自然な初期振幅の大きさが実はインフレーションのエネルギースケールに依存することを指摘しました[論文]。特にインフレーションスケールがQCDスケール以下の低エネルギーインフレーションの場合，エターナルインフレーションのように十分長くインフレーションが続けば，QCDアクシオンの初期値は崩壊定数よりもかなり小さくなることを示しました。これにより，これまでアクシオンの過剰な生成を避けるために，初期振幅の微調整が必要だと考えられていた質量領域においても，QCDアクシオンがより自然にダークマターを説明しうることが明らかとなりました。このような軽い質量領域は，将来DMRadio実験等によって探索予定です。このようにアクシオンや、似た性質を持つダークフォトンの生成機構や進化などについても研究を行っています。