研究内容
宇宙論・素粒子論
この宇宙を記述する究極理論を解明することが最大の目標です。
素粒子標準模型は大成功を収めましたが、暗黒物質や物質反物質の非対称性、宇宙初期のインフレーションなど、素粒子標準模型を超えた物理の存在自体は明らかと言えます。しかしその具体的な正体は全く分かっていません。究極理論の解明に向けて、初期宇宙の理論や素粒子模型の構築、それらの実験・観測的検証に向けた研究を行っています。
以下の研究紹介にもありますように、具体的な研究テーマは多岐に渡ります。「宇宙の謎を解明する」という目標を軸に据えていますが、そこに近づくための道は無数にあり、一つの方法や概念に拘らず、面白そうなものは何でも取り入れようという研究スタイルでやっています。そうした中で色んなアイデアが生まれ、新たな道を拓いたりもしてきました。
このページではこれまでの研究成果のうち一部をピックアップして紹介します。（最終更新：2025年3月）
インフレーション宇宙
宇宙の極初期にはインフレーションと呼ばれる急激な加速膨張があったことが確実視されています。インフレーションを引き起こした場（インフラトン）の正体を突き止めることは大きな目標の一つです。理論的には非常に多くのインフレーション模型が提案されていますが、観測の進展によりある程度模型を絞れるようになってきました。しかし未だ正しい模型を特定するには至っておらず、今後も理論・観測の両面から大きな進展が必要です。この目標に向けて、色々な側面から研究を行ってきました。
・背景重力波
インフレーション宇宙では量子論的な効果により自動的に重力波が生成されることが知られています。この重力波は現在の周波数で20桁以上におよぶ、非常に広い周波数範囲での背景重力波として現在の宇宙に残ります。我々は、この背景重力波のスペクトルが初期宇宙の状態方程式に大きく依存し、将来の宇宙重力波干渉系による観測で状態方程式や宇宙再加熱温度といった未知の情報が決定可能であることを示しました [2008, 2008]。この観測が実現すれば、インフレーションから現在に至る宇宙の歴史が解明されることになります。
さらに、宇宙初期に起きた相転移や、暗黒輻射の生成など、素粒子物理にも関わる重要な情報が背景重力波の測定により得られることを明らかにしました [2011, 2012]。
また、インフラトンの崩壊の際、これまで見落とされていた摂動的なプロセスにより、非常に高周波の重力波（グラビトン）が自然に宇宙初期に生成されることを示し、これがインフラトンの質量や相互作用などの性質に関する豊富な情報を含んでいることを明らかにしました [2018, 2020, 2021]。 重力波天文学は始まったばかりですが、このように初期宇宙や素粒子物理の解明への大きな可能性を秘めています。
・再加熱
インフラトンはインフレーションを引き起こした後、そのエネルギーを放射成分に転化し熱い宇宙に繋がなければなりません。これを再加熱といいます。この再加熱のメカニズムはこれまでのところよく分かっておらず、再加熱機構の解明はインフラトンの同定に向けた重要なステップになると考えられます。しかし再加熱は一般に、爆発的な粒子生成とそれらの熱化、それによるインフラトン自身へのbackreaction等、非常に複雑な過程です。我々は熱場の理論や非平衡場の理論の定式化を応用し、現実的なインフレーション模型において再加熱を定量的に議論する枠組みを与えました [2012, 2012]。
これにより、アクシオンやカーバトンなど宇宙の進化において重要な役割を果たした可能性のあるスカラー場の、熱的・非熱的散逸効果も取り入れた完全なダイナミクスの解析が可能になりました [2013, 2013, 2014, 2014]。
また、標準模型ヒッグス場をインフラトンと同定するヒッグスインフレーション模型が注目を集めていますが、この模型では再加熱期に異常な高エネルギー粒子が生成されてしまい、必然的にユニタリティー問題に直面することを示しました [2016]。これは、何らかの理論の拡張なしにはインフレーション期から放射優勢宇宙までを繋げることができないことを意味します。これを機に、理論的問題のないヒッグスインフレーションの拡張模型が広く考えられるようになりました。
・重力的粒子生成
インフレーションが終わった直後の宇宙は非常に冷たい空っぽの空間です。その後、インフラトンのダイナミクスにより粒子生成が起き、再加熱に繋がったと考えられます。我々は、インフラトンと重力的に結合しているあらゆる粒子が再加熱中に生成されることを突き止めました。そして、このようにして生成された粒子が暗黒物質の自然な候補であることを示しました。特にこれまでの「常識」に反し、ハッブルパラメータよりも重い粒子が重力的に生成されることを明らかにしました [2015]。これは非常に一般的な現象なので、いろいろな現象論的応用が考えられます [2016, 2018, 2019]。この研究は自分が思っていた以上に反響が大きく、後に素粒子的宇宙論の大きな潮流に発展しました。
・電弱真空
2012年にLarge Hadron Collider (LHC) 実験でヒッグス粒子が見つかり、素粒子標準模型が実験的に確立しました。そしてこれにより、我々の宇宙がヒッグス場により電弱対称性の破れた真空にいることが確定しました。その一方で、（もし素粒子標準模型が超高エネルギーまで正しいのであれば）実はこの真空が準安定状態であることも同時に明らかになりました。これは有限の時間で宇宙が崩壊することを意味します。実際には有限といっても宇宙年齢よりはるかに長い寿命が予言されるので、すぐに宇宙の崩壊を心配する必要はありません。ところが初期宇宙では、インフラトンをはじめとする様々なダイナミクスにより、真空の不安定性がより激しく引き起こされます。我々は、インフレーション後の再加熱時期において、電弱真空が崩壊しないための条件（つまり現在の宇宙が存在するための条件）を詳細なシミュレーションにより導きました [2016, 2017]。これにより、素粒子標準模型において現在の宇宙が存在するための条件が初めて明らかになりました。
・インフレーション模型
Planck衛星による宇宙背景放射の精密観測をはじめとして、近年の観測により一部のインフレーション模型は厳しい制限を受けています。現在の観測結果と一致するようなインフレーション模型はどのようなものか、改めて考え直す必要がでてきました。我々は、インフラトンの運動項が大きくなることで実質的にポテンシャルが平坦になり、観測との整合性が改善されるアイデアを提唱しました [2010]。 また、カオティックインフレーション模型において、ポテンシャルに少しの補正を加えることで劇的に最新の観測との整合性が改善されることを指摘しました [2013]。 この運動項のアイデアは、後に別のグループによって、運動項を無限大に発散させるところまで拡張され、現在では観測と整合する代表的なインフレーション模型の一つとなっています。
一方、素粒子模型の観点からインフラトンの正体に迫る研究もあります。我々は、超対称性理論に登場する右巻きスカラーニュートリノをインフラトンと同定する、非常にシンプルな模型の構成に成功しました [2014, 2016]。また、この模型でのニュートリノ質量行列とCP位相のパターンを分析しました [2017]。これはニュートリノ振動実験とインフレーションを結びつけるユニークな研究になります。
・密度揺らぎ
インフレーション中に生成されるインフラトンの量子揺らぎはやがて宇宙の密度揺らぎとなり、宇宙の構造形成の種となります。密度揺らぎの性質は宇宙背景放射の観測や銀河サーベイから精度良く決まっており、インフレーション模型や初期宇宙物理の解明に対する大きな手掛かりになります。2000年代に入って、密度揺らぎの非ガウス性という性質が、密度揺らぎの起源を選別し得るパラメータとして注目されるようになりました。我々は、アクシオン暗黒物質模型やカーバトン模型などにおいて、等曲率揺らぎと呼ばれる成分に非ガウス性が一般に現れることを指摘し、その宇宙背景放射への影響は、通常の断熱揺らぎの非ガウス性と区別できることを示しました [2008, 2008]。また、Affleck-Dine 機構と呼ばれるバリオン数生成の模型において、バリオンの等曲率揺らぎが大きな非ガウス性を持つことを示しました [2008]。さらに、我々は暗黒輻射と呼ばれる宇宙のエネルギー成分が等曲率揺らぎを持つ可能性を指摘し、その宇宙背景放射への影響を定式化することに成功しました [2011, 2012]。これらの研究により、暗黒物質やバリオン数生成、暗黒輻射の起源といった素粒子物理にも関わる重要な情報が、宇宙論的観測から明らかになる新たな可能性が示されました。
暗黒物質
この宇宙に存在する全物質の８割程度は正体不明の暗黒物質であることが、様々な観測から明らかになっています。暗黒物質の正体を突き止めることは、素粒子物理学の大きな目標の一つです。一方で今のところ暗黒物質の正体は手掛かりが掴めておらず、暗黒物質粒子の質量にすら数十桁もの不定性があるのが現状です。暗黒物質の発見が、素粒子標準模型を超えた物理ひいては究極理論への足掛かりになることは間違いありません。暗黒物質の模型に関する研究、初期宇宙での生成過程に関する研究、新たな実験・観測方法の提案など多方面からの研究を行ってきました。
・軽い暗黒物質の新たな検出方法
近年、軽い質量領域の暗黒物質の直接検出に向けた様々なアイデアが提案されています。一つの面白いアイデアは、固体物理のアイデアを利用した検出方法です。固体中にはブロッホ電子やさまざまな準粒子が存在し、それらが暗黒物質と反応する可能性があります。我々はアクシオンやダークフォトンといった軽い暗黒物質が、さまざまなタイプの磁性体中のマグノン準粒子を励起するプロセスを定式化し、その検出可能性を調べました [2020, 2021, 2023]。
また、最近進展著しい量子情報や量子コンピュータのアイデアを暗黒物質検出に活かす試みにも注目しています。我々は、ダイヤモンド量子センサーがアクシオンやダークフォトン暗黒物質の検出器として優れた性能を持つことを示しました [2023, 2024]。またこれに関連して、量子エンタングルメントを利用した測定の優位性を示しました [2024]。これらは実験家や量子センサーの専門家とのユニークな共同研究の成果です。
このように、物理学の他分野との境界領域の研究も盛んになってきています。
・暗黒物質の間接検出
暗黒物質は（模型によっては）対消滅や崩壊により、ガンマ線や電子、陽電子、ニュートリノや反陽子といった高エネルギーの宇宙線を生成します。こうした宇宙線の観測により暗黒物質特有のシグナルを探索することを間接検出と呼びます。2008年にPAMELA衛星が宇宙線陽電子の超過成分を報告したことを受け、我々はガンマ線や電子といった様々な宇宙線シグナルおよびビッグバン元素合成との整合性を確かめました [2008, 2009, 2011]。とりわけ、スーパーカミオカンデの銀河中心方向のニュートリノ観測データから、暗黒物質模型に対して強い制限が得られることを示しました [2008]。このあたりの研究成果は博士論文としてまとめられています [博士論文]。
さらに、暗黒物質対消滅はビッグバン元素合成や宇宙背景放射にも大きな影響を与えます。例えば宇宙再結合期にわずかながら暗黒物質の対消滅が起きると、それによって生成された高エネルギーの電子や光子が水素やヘリウムの再結合を阻害し、結果として宇宙背景放射の非等方性に影響を与えてしまいます。このようなプロセスを詳細に数値シミュレーションし、Planck衛星などの観測データを用いることで、宇宙論的考察からも対消滅断面積が厳しく制限されることを示しました [2009, 2015, 2021]。
・アクシオンの間接検出
アクシオン暗黒物質は一般に２光子に崩壊します。特にアクシオン質量が1eV~10eV程度のときは、こうしてできた光子は可視光や赤外背景放射に寄与し、望遠鏡による観測が強い制限を与えます。我々は、赤外・可視光背景放射の非等方性の観測データを用いて、10eV程度のアクシオン暗黒物質に対する制限を導きました [2022]。これは現在、この質量領域において最も強い制限となっています。
アクシオンが宇宙に存在すると背景磁場の下でその一部が光子に転換することが知られています。このようなプロセスで生じた光子が宇宙の再イオン化や水素原子の再結合、背景X線やガンマ線、ビッグバン元素合成に与える影響などを総合的に評価し、アクシオン暗黒輻射の存在量と原始磁場の大きさに対する制限を導きました [2013]。また、同様のプロセスでアクシオン暗黒輻射が電波領域の光に余分な寄与をし、中性水素21cm線の観測に影響を与える可能性を指摘しました [2018]。
・ダークフォトン暗黒物質
ダークフォトンは、アクシオンと並んで軽い暗黒物質の有力な候補です。しかし、アクシオンが比較的容易に現在の宇宙の暗黒物質存在量を再現できるのに対し、ダークフォトンの初期宇宙での生成はそれほど容易ではないことが知られていました。しかも、その数少ない生成機構の一つとして有力視されていたmisalignment機構が、実際にはゴースト不安定性という深刻な理論的問題を含んでおり、うまくいかないことを示しました [2019]。さらにこの問題を回避したとしても、曲率揺らぎの統計的非等方性および等曲率揺らぎが厳しい制限を与え、ある種のNo-Go定理が成立することを示しました [2020]。それからしばらくして、初めて整合的なダークフォトンのmisalignment機構のモデルを構築することに成功しました [2023]。
また、ダークフォトンの質量は自発的対称性の破れと関連していると考えるのが自然です。この場合、初期宇宙で宇宙紐が生成され、宇宙紐の崩壊によるダークフォトン生成が自然な生成機構として働きます。これを詳細にシミュレーションし、確かにこのとき暗黒物質残存量がきちんと説明できることを示しました。そしてこのシナリオで予言される背景重力波のスペクトルを導きました [2022]。この論文を投稿した数ヶ月後にパルサータイミングアレイ実験による背景重力波の検出が報告され、このシナリオでの宇宙紐の予言と（パラメータによっては）一致することが分かりました [2023]。数ある可能性の一つにすぎませんが、今後も注目していきます。
素粒子模型・場の量子論
素粒子標準模型は現在のところ、最もミクロな世界を正確に記述する理論として大成功を収めています。しかし宇宙の暗黒物質やバリオン数生成、インフレーション、さらに諸々の理論的問題もあり、「素粒子標準模型を超えた物理」の存在は疑いようがありません。標準模型を超えた物理へのアプローチには色々なやり方があります。新たな素粒子模型の構築や宇宙進化の影響、各種実験・観測との整合性など色々な側面から、標準模型を超えた物理を探っています。
・アクシオン模型
アクシオンは素粒子標準模型の強いCP問題を解決するために導入される、軽いスカラー場です。アクシオンは暗黒物質の有力候補でもあるため、現在世界中でアクシオンの探索が行われています。さて、それとは別に標準模型にはクォーク・レプトン質量の世代間の階層性という問題があります。これを解決する単純な模型として、Froggatt-Nielsen機構と呼ばれるものが知られています。我々は、アクシオンとFroggatt-Nielsen機構が何の余分な仮定もなしに自然に統一されることを示しました。この模型では、アクシオンがフレーバーを破るという顕著な性質があり、加速器実験でのK中間子の稀崩壊を調べることで他の模型と明確に区別できます [2016]。この模型は後に世界で大流行しました。
・超対称性理論、超重力理論
超対称性はボゾンとフェルミオンを入れ替える対称性です。素粒子標準模型に超対称性を課した模型は超対称標準模型と呼ばれます。超対称標準模型はゲージ階層性問題と暗黒物質の問題を解決する可能性があり、さらに非常に豊かな現象を予言することから非常に詳細に調べられてきました。私は、超対称模型でのAffleck-Dineバリオン数生成 [2006, 2007]、ニュートラリーノ暗黒物質の現象論 [2007, 2008]、超対称アクシオン模型の構築および現象論・宇宙論 [2007, 2012, 2013]、超対称性の破れの伝達模型の構築 [2011, 2011]、LHC実験で発見されたヒッグス質量との関係 [2011] など、超対称標準模型のいろいろな側面について研究してきました。
超対称性に重力を組み込んだ理論は超重力理論と呼ばれます。超重力理論に存在するグラビティーノと呼ばれる粒子が宇宙論的にしばしば問題となることが知られています（グラビティーノ問題）。初期宇宙における非熱的なグラビティーノ生成量について、いくつかの違った手法で計算が行われていましたが、それぞれの手法には適用範囲があり統一的な理解がありませんでした。我々は超重力理論と粒子生成の理論の基礎に立ち返り、全ての状況・模型に適用できるグラビティーノ生成量の決定版というべき評価方法を開発し、簡便な公式を導出しました [2016]。
また、ある種の超重力模型において、グラビティーノの音速が虚数になり、理論自体に深刻な不安定性が存在することを指摘しました [2017]。この事実は、後に別のグループによって"gravitino swampland"という概念に拡張されました。
・モジュライ問題
量子重力理論の候補である超弦理論は10次元時空を予言します。4次元時空を得るには、6次元空間がコンパクト化される必要があります。これに伴い、モジュライと呼ばれるスカラー場が4次元の理論に現れます。このモジュライの存在が宇宙論的に重大な問題を引き起こすことが知られています（モジュライ問題）。我々はモジュライ問題に対する解の一つとして知られていた、断熱解と呼ばれる解法を詳細に調べました。その結果、実際には断熱解は完全には働かず、必ず一定量のモジュライが宇宙初期に生成されることを示しました [2011]。これは、それまで信じられてきたモジュライの生成量の評価が何10桁も間違えていたこと、そしてモジュライ問題がさらに深刻になったことを意味します。
また、一般に弦理論モジュライはアクシオンに崩壊し、過剰なアクシオン暗黒輻射を予言します。これが新たな宇宙論的問題になることを示しました（moduli-induced axion problem） [2013]。弦理論から導かれる宇宙論を考える上で、これらの問題は避けては通れません。これらの発見は、現実的なモジュライ安定化の模型を考える鍵になるかもしれません。
・ニュートリノ質量とフレーバー対称性
種々のニュートリノ振動実験から、現在ではニュートリノ質量差と混合角は精度良く決まっています。このニュートリノ質量行列の特徴を再現するために、様々な非可換有限群に基づいたフレーバー対称性の模型が考えられています。そのためには flavon と呼ばれる、フレーバー対称性を自発的に破るスカラー場を複数導入し、そのポテンシャルをうまく調整する必要があります。これを具体的に構成しようとすると模型が複雑化する傾向がありましたが、我々は極めてシンプルな模型とポテンシャルの構成に成功しました [2018, 2019]。
またこのような模型では、一般にフレーバー対称性の自発的破れに伴う位相欠陥（ドメインウォール）が宇宙論的な問題となります。我々は量子異常によりドメインウォール問題が解決される可能性について網羅的に調べました [2018]。さらに、上記の我々が提案した新たな模型ではドメインウォール問題を自然に解決可能であることを示しました。
・カシミール力
場の量子論では、量子場のゼロ点振動により真空のエネルギーが無限大になってしまいます。繰り込みという操作により現在の宇宙と矛盾しないエネルギーを得るには、とてつもない微調整が必要になります（宇宙項問題）。一方で、ゼロ点振動の存在自体は確かなものであり、最も直接的な証拠は、２枚の金属板の間に働くカシミール力と呼ばれる力の測定です。この意味でカシミール力の測定は場の量子論の真空の性質と密接に関連しており、それ自体興味深いものです。しかし、具体的な系におけるカシミール力の理論計算は、固体や媒質の性質、および種々の発散の処理など一筋縄ではいきません。我々は一般の多層構造の系でのカシミール力の理論計算について、第一原理にもとづいた厳密な定式化に成功しました [2025] 。