修正重力理論に基づく暗黒物質の探索

本年度は、F(R)重力理論と呼ばれる理論を用いて、修正重力理論を起源とする暗黒物質の可能性について研究を行った。F(R)重力理論において、スカラー場の自由度が新たに現れることが知られており、古典的には、このスカラー場が宇宙の加速膨張を引き起こしうることが知られている。また、このスカラー場の持つ性質として、カメレオン機構と呼ばれる性質が挙げられる。宇宙の加速膨張を説明するために導入されるスカラー場の自由度は、一般に、重力相互作用の変更をもたらすが、太陽系内の観測結果からは、そのような重力の変更が強く制限されている。この観測的制限を回避するのが、カメレオン機構である。銀河間のようにほとんど何もない領域では、スカラー場は軽いままであるが、重力の強いところや物質が存在するところでは、スカラー場は重くなり伝搬しなくなる。その結果、太陽系内での制限を満たしながら、宇宙の加速膨張を説明することが可能となる。本研究では、このスカラー場を量子化することで、新たなスカラー粒子として取り扱い、このスカラー粒子が暗黒物質となり得る可能性について研究を行った。まず、このスカラー粒子と標準模型素粒子との相互作用を明らかにし、また、カメレオン機構を考慮ながら、スカラー粒子の質量と安定性に関する解析を行った。場の量子論を用いてスカラー粒子の有効理論を構成することで、スカラー粒子が宇宙年齢程度の寿命を持つための条件を導出し、この結果からF(R)重力理論の１つの模型におけるパラメータに対して制限を与えることに成功した。本研究は、松崎真也氏との共同研究に基づいており、研究結果は、Physical Reviews Dに掲載された。

本年度は、F(R)重力理論と呼ばれる理論を用いて、修正重力理論を起源とする暗黒物質の可能性について研究を行った。F(R)重力理論において、スカラー場の自由度が新たに現れることが知られており、古典的には、このスカラー場が宇宙の加速膨張を引き起こしうることが知られている。また、このスカラー場の持つ性質として、カメレオン機構と呼ばれる性質が挙げられる。宇宙の加速膨張を説明するために導入されるスカラー場の自由度は、一般に、重力相互作用の変更をもたらすが、太陽系内の観測結果からは、そのような重力の変更が強く制限されている。この観測的制限を回避するのが、カメレオン機構である。銀河間のようにほとんど何もない領域では、スカラー場は軽いままであるが、重力の強いところや物質が存在するところでは、スカラー場は重くなり伝搬しなくなる。その結果、太陽系内での制限を満たしながら、宇宙の加速膨張を説明することが可能となる。本研究では、このスカラー場を量子化することで、新たなスカラー粒子として取り扱い、このスカラー粒子が暗黒物質となり得る可能性について研究を行った。まず、このスカラー粒子と標準模型素粒子との相互作用を明らかにし、また、カメレオン機構を考慮ながら、スカラー粒子の質量と安定性に関する解析を行った。場の量子論を用いてスカラー粒子の有効理論を構成することで、スカラー粒子が宇宙年齢程度の寿命を持つための条件を導出し、この結果からF(R)重力理論の１つの模型におけるパラメータに対して制限を与えることに成功した。本研究は、松崎真也氏との共同研究に基づいており、研究結果は、Physical Reviews Dに掲載された。