素粒子現象論・宇宙論、超弦理論現象論：超弦理論を使った「量子重力を含む統一理論」「素粒子標準模型を越える物理」の研究。
分野は広い意味の「素粒子論」です。「素粒子標準模型を越える物理」が主になります。実験と関係のある素粒子論、初期宇宙論、そして統一理論の候補である超弦理論の有効理論の研究をしています。特に、超弦理論の有効理論を使った素粒子論と初期宇宙論に注目しています。
研究キーワード：「アクシオン」「暗黒物質」「インフレーション」「宇宙のバリオン生成」「加速膨張宇宙」「超対称性の破れ」「フレーバー物理」「超弦理論の有効理論」「超弦理論の真空（モジュライ空間）」「沼地予想」
素粒子論：最も基礎的な自然法則を探る学問。特に、自然法則における力や、物質の構成要素が粒子である理論。物質であれば、電子やクォーク、力であれば光子（電磁気力）。
超弦理論：素粒子の代わりに弦（ひも）のような広がった物体を基本自由度とする理論。自然界の強い力・弱い力・電磁気力・重力の量子論を含む統一理論の候補。
素粒子標準模型はクォーク・レプトン・ゲージ粒子・ヒッグス粒子を含み、数多くの実験事実を説明できます。しかし、その枠内では説明が難しい物理があります。代表的なものは「ニュートリノ振動」「暗黒物質」「暗黒エネルギー」です。これらを「標準模型を越える物理」と呼びます。宇宙はまだまだ謎に満ちていて、これら「標準模型を越える物理」はお互いに関係している可能性もあります。とくに「暗黒物質」「暗黒エネルギー」は重力を通じてわかったものなので「量子重力（重力の本質）」の解明が大事だと思われます。私の研究内容を端的に言うと、場の理論の模型や超弦理論のアイデアの枠内で、新たな原理や対称性を見つけて、このような事実の説明と将来実験への予測を示唆することです。超弦理論を考えるのは、量子重力を含む統一理論の候補だからです。以下で詳細を説明していきます。
ニュートリノは電気的に中性の素粒子で、3種類（3世代）あると思われています。非常に弱く通常の物質（我々）と結合していて、あまり衝突しません。素粒子標準模型の枠内ではニュートリノは質量を持たないのでニュートリノの世代間での混合がなく、観測されているニュートリノの世代間の遷移の説明が難しくなります。しかしその質量は非常に小さく、電子と比べても10億分の1程度に小さい可能性があります。それゆえニュートリノの質量の起源は、他の荷電している素粒子と異なり、ヒッグス場のみによる説明が難しい可能性があります。またニュートリノは、宇宙全体に存在していると思われています。それゆえ、初期宇宙でのビッグバンによる軽元素合成や、超新星爆発に関係するなど宇宙でも大事な役割を果たします。言い換えるとニュートリノがないと我々は存在していません。
暗黒物質は電気的中性の物質で、通常の物質（我々）とは重力を通じて結合していますが、衝突をほとんどしないと思われています。その正体はまだ良く分かっていません。暗黒物質が存在すると、重力を通じて星の元となる物質を特定の領域に集めます。つまりこれがあると、銀河の集まりである宇宙の大規模構造を説明することができます。言い換えると星々の起源、その近辺で生活している我々の起源を、暗黒物質のおかげで説明することができます。
暗黒エネルギーは、今現在の宇宙が加速膨張して大きくなっていることを説明するのに必要です。このエネルギーの正体も良くわかっていません。重力は万有引力ですから、空間すら引き付けあって膨張は減速しやすいのですが、なぜか膨張を加速させているエネルギーが丁度良い具合にあります。そのエネルギーが大きすぎると、あっという間に膨張して宇宙の密度は疎になってしまいますが、そんなことは無いのは不思議です。
今の宇宙は非常に大きくて時間にしたがって膨張しています。逆に過去にさかのぼると、138億年前の宇宙はとても小さく、量子力学の効果がとても重要だった時代があったはずです。つまり、今の宇宙全体でも量子力学の効果が見えているはずです。その例が「宇宙背景輻射」とその温度ゆらぎで、つまり観測されている宇宙の大部分と言っても良いかもしれません。宇宙の起源の大部分は初期宇宙の加速膨張である「インフレーション」が担っていると思われています。つまり初期宇宙の暗黒エネルギーです。しかし、そのインフレーションを起こしているのが何者か？なぜインフレーションが起こったのか？つまりインフレーションの前時代を含む「宇宙の始まりは何か？」という問いには具体的に答えられていません。宇宙の広大なスケールでは重力が重要になってきますが、宇宙のすべてを理解しようとすると、重力の本質である量子重力の理解は避けて通れないと思われています。
実はそもそも「素粒子標準模型の起源」がわかっていません。標準模型は一見複雑なので、なぜそんなものが宇宙を記述しているのか不思議です。例えば、ゲージ対称性、世代、パラメータの謎（質量、フレーバー階層性やCP）、ヒッグスの性質など、その起源です。初期宇宙は超高温の可能性があって、スープのようにごちゃごちゃになっていたとすると、クォークやレプトンという区別、物質と力（ゲージ粒子）という区別はいつからあったのか不思議です。実際に物質が存在すると、それらの衝突から反物質が作られることがあります。しかし宇宙で観測されている範囲には物質ばかり存在し、反物質がないのも不思議です。重力はすべての粒子と普遍的に結合するので、標準模型の起源や、宇宙における物質の起源を探るためにも、量子重力が大事かもしれません。
これらを説明するために、素粒子標準模型で考えられていない物理を考える必要があります。その物理の例の１つが、量子重力を含む統一理論の候補と言われる「超弦理論」になります。これは素粒子ではなく、弦（ひも）などの広がった物体を基礎的な自由度とする理論です。つまり、広がった分の巻き付きなど、通常の素粒子の理論よりもたくさんの対称性や自由度（物質・エネルギー）を含みますので、暗黒物質・暗黒エネルギーの謎などを説明できる可能性があります。今のところの超弦理論は、（良くも悪くも）安直には得られない無数のアイデア（模型）を我々に提供します。
以上のように、超弦理論のアイデアで「素粒子標準模型を越える物理」を考えています。
一般に理論を記述するパラメータは沢山あります。例えば、微細構造定数など結合定数の大きさ、質量や自発的対称性の破れのスケールの大きさです。こういったパラメータがどのような原理で決まっているのか？対称性が決まる原理は存在するのか？自然界に存在する対称性は何か？こういったことも研究しています。
超弦理論の場合、開弦の端点がくっつくDブレイン（膜などの高次元的物体）やそれらが発する磁束を用いて、上で述べたパラメータの大きさや対称性の起源の説明が一応できます。超弦理論のパラメータはモジュライと呼ばれ、パラメータを決めるのを「モジュライ固定」と呼びます。モジュライは空間（多様体）の大きさなどの変形自由度のことですが、超弦理論はこのような自由度も含みます。モジュライ固定は質量スケールを含めたパラメータを決めるので、現象論的な応用が沢山あります。例えば、超対称性の破れや、現在の加速膨張宇宙（正の宇宙項）の実現です。しかしながら今のモジュライ固定の手法は、手で与える条件が多い上に多様性があり、その結果として超弦理論の真空が無数にできてしまうので問題だと思われています。また、これまでの研究を洗い直してみると、実は怪しい仮定や近似があったりします。
一方でこのような超弦理論の真空は「無数にある無矛盾な場の理論の集合」と理解できます。つまり真空間は物質の数、対称性、パラメータの値が異なります。それゆえ1つの真空に注目し、場の理論の模型として割り切って観測的応用を考えるのは、研究の一手として面白いです。例えば、フレーバー対称性、超対称性、暗黒物質を含んだ「素粒子標準模型を越えた物理」の方向でも研究を行っています。超弦理論の観点では、将来の備えです。仮に無数の真空の問題が解決した後でも、注目した真空の性質やアイデアが役立つこともあるかもしれません。
場の理論を記述するパラメータにCP（粒子・反粒子の対称性）を破るものがあります。標準模型を越える物理では、これをパラメータではなく「アクシオン場」の期待値（ボソンの凝縮）として理解できます。アクシオンは未発見で仮説粒子ですが、相互作用が弱くて非常に軽く安定なので、暗黒物質の候補になります。同時に、中性子の電気双極子が小さく観測できないことを自然に説明できます。このようなアクシオンの理論的性質に注目して研究しています。アクシオンが関連する研究として、宇宙ひも・ドメインウォール、重力波の話題もあります。これらは初期宇宙でアクシオンが凝縮するときに生成される可能性があって、宇宙の観測に影響を与えます。他にも宇宙磁場やブラックホールとの関連もしばしば議論されます。理論的にアクシオン場は「量子論的な角度」に見えます。基本的には2π周期で理論を記述しますが、2π周期にどのような意味合いがあるかは理論に依存します。
超弦理論では、無矛盾性のために基礎スケールよりも軽い、数多くのアクシオンの存在が示唆されます。弦やDブレインは"電荷"を持っているのでゲージ場が存在して、それを起源にアクシオンが現れます。上で述べたアクシオンを含むこれらの粒子をまとめて、アクシオン的粒子と呼びます。通常のアクシオンと区別しているのは、結合や質量が異なるからです。一方でアクシオン的場の期待値の決め方には多様性があるので、この意味でも超弦理論の真空が無数にできてしまいます。
しかしながら、アクシオン的粒子の存在を一つの模型として割り切って観測的応用を考えるのは面白いと思います。上で述べたように軽いアクシオン的粒子の場合は、暗黒物質の可能性があります。他にも、重いアクシオン的粒子が初期宇宙のインフレーションを起こす可能性＝アクシオンインフレーションの研究も多くの人によって考えられています。このような様々な質量を持ったアクシオンの研究も行っています。
上記の応用とは別に、高次対称性を備えたテンソル場を含む理論やトポロジカル物質の研究でも、アクシオンは話題になっているようです。こちらはただいま勉強中で、応用したい考えです。超弦理論の枠内では、高次対称性は最初から備わっているもので、テンソル場がアクシオンになります。それゆえこの場合、アクシオンの起源や性質と高次対称性が関係しますので、さらに理解を深める必要があると思っています。
超弦理論は量子重力を含む統一理論の候補です。しかし上で述べたように、今の超弦理論には「真空が無数に存在する＝無数の無矛盾な場の理論の集合ができる」問題があります。これがもし本当であれば、超弦理論として無数の予言があるので観測に有益な情報を与えることはできません。しかし、本当にすべてを無矛盾に真空として考えられるでしょうか？実際に我々が観測している宇宙は１つなので、真空＝場の理論の模型が本質的に１つだと思うのは自然かもしれません。また、人間の行う理論研究は常に発展途上だと思うと、見落としがあると思うのも自然です。これらの期待から、「真に量子重力と無矛盾な場の理論に対する条件」があると思われています。つまり無数の場の理論に、量子重力と無矛盾なもの（ランドスケープと呼ぶ）・そうでないもの（沼地と呼ぶ）に境界線を引く条件です。その条件の予想を「沼地予想」と呼びます。予想をするのは、正確に条件を見出すのが今のところ困難だからです。
無数に真空が発生する原因の１つは、超弦理論の摂動論を扱っていることだと考えられています。一般に摂動論はポテンシャルの最低点周りの運動しか見ないので、「超弦理論のポテンシャル」の概念が分からないとも言えます。他にも場の理論では、摂動論的には真空が縮退していても、強結合の効果を考えると真空を作るポテンシャルが生成されることがあります。アクシオンがその例です。しかし、強結合の理論は一般に摂動論として扱うのが困難です。また重力など非自明な背景が結合した理論の量子論は一般に扱いが難しく、特に加速膨張宇宙やブラクックホールなど（ホライズンのある物理）を含めて、重力の関連する理論研究は発展途上だと思われます。これは、通常の量子力学に置き換えると、ポテンシャルがかなり非自明な形になってしまい、一般に方程式の解があるか分からないためだと思われます。
強結合や重力の効果を含めた理論の性質を知るため、「沼地予想」を考え、何とかして量子重力の性質を抜き出そうとしています。「超弦理論のポテンシャル」の一部の性質の予想を立てようということです。研究手段の１つは、実験・観測事実と研究者自身の経験から大胆な仮説を立てて、数多くの理論の例を検証していき、予想を洗練することです。また、理論の対称性やトポロジーを用いて運動学的な計算をして、その数学的無矛盾性と実験・観測の事実を通じて、予想をたたて洗練するアプローチもあります。沼地予想は、現段階ではあくまで予想ですが、シンプルゆえにこれまで考えられてきた多くの模型と無矛盾な結果になっています。
一方で、この予想と一見反するかもしれないので検証中の模型の例もそれなりにあります。その中には、加速膨張する宇宙を説明する超弦理論の模型が含まれます。正の宇宙項がモジュライ固定されて実現できるための正確な条件や、アクシオンインフレーションにおけるアクシオンの相互作用の弱さの問題です。現在は、この予想が摂動論を越えてどこまで正しいのか、また本当に加速膨張の模型は正しいのか見直されて、予想だけでなく模型が洗練されつつあります。
個人的には今はまだまだ勉強中の段階ですが、どのような無矛盾条件が超弦理論にあるべきか、沼地予想がどの程度正しいのか、沼地予想がどのような意味合いを持つか、沼地予想に沿った模型は観測的に正しいのか、そういった検証や研究に挑戦していきます。例えば、上で述べたモジュライ・アクシオン・アクシオンを制御する高次対称性と、沼地予想の関係などに注目していくのは面白いかもしれません。
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超弦理論を理解することは、比較的簡単な数学で言い換えると、 exp[-f(x,y,z,...)]の積分をする事と言っても良いかもしれません。f は多変数関数ですが、超弦理論の「作用」に対応します。積分は量子力学の「経路積分」に対応します。自然界が存在していること自体が、この積分ができることを知らせています（超弦理論が本当であれば）。また、無数の場の理論・観測・実験から組み合わせて情報を得ることは、「 f が局所的に最小になりそう」ないくつかの特定の点で、f の近似値が与えられていることになります。 ただし、この情報の数は変数の数に対して少ないので、その点で「 f が本当に局所的に最小か分からない」ことに気を付けなければいけません。f の傾き・曲率の値など、f の局所最小点が持つ数学的性質があるので、原理的には何とかなりそうだと一見思います。しかし f は多変数関数で、最小点に対して、その近傍の情報が数多く必要になります。ここで例えば、特定の座標点の情報から、 f の変数 x, y, z が、(x + y + z) の組み合わせで無矛盾に書けると「予想」しましょう。すると実質の座標数が減るので f の性質を探りやすくなります。もちろん、この予想に誤りがあったり、変数を定数と間違えるなど計算を誤ると危険です。研究では、具体的な点から情報を眺めながら、このような「予想」をして試行錯誤を行っているようです（実際にはこれほど単純ではないと思いますが）。