アクシオンと初期宇宙シナリオに関する研究

轴子和早期宇宙场景的研究

• 批准号: 17J09736
• 负责人: 北嶋 直弥
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J09736/
• 关键词: アクシオン; 暗黒物質; 重力波; 原始ブラックホール; インフレーション

平成30年度における私の研究として、宇宙初期におけるアクシオンの共鳴現象から重力波が生成される可能性を指摘し、数値シミュレーションを駆使して生成される重力波強度を定量的に評価した。特にアクシオンの自己相互作用によるパラメター共鳴とそれに伴う重力波生成を解析するための３次元格子シミュレーションコードの独自開発に成功し、新しい結果を出せたことが成果として挙げられる。また、将来の多波長重力波観測を見据え、アクシオン宇宙が予言する重力波フォレストという概念を新たに提唱したことも成果の一つである。また、アクシオンとゲージ場が相互作用するモデルについて、宇宙初期のゲージ場の共鳴的生成現象を詳細に解析した研究も実績として挙げられる。本研究ではゲージ場の指数関数的成長という極めて非線形な発展を追うために、アクシオンとゲージ場の相互作用を組み込んだ格子シミュレーションを独自開発し、最終的にアクシオンやゲージ場（ダークフォトン）の暗黒物質としての残存量などを計算した。特に本研究はダークフォトンで現在の暗黒物質の存在量を説明する新しい初期宇宙シナリオを提案したものであり、将来のダークフォトン検出実験に対し、理論から新たな指針を与えることに成功した。また、原始ブラックホールが暗黒物質として寄与するシナリオにも着目し、原始ブラックホール形成に伴って新たに生じる密度ゆらぎに関する詳細な解析も研究実績の一つである。特に先行研究ではゆらぎはポアソン分布に従うものと考えられてきたが、本研究では対数正規分布に従うゆらぎが生じ得ることを指摘した。研究手法は格子シミュレーションを用いた数値解析で、形成された原始ブラックホールの数を計測する新たな手法を確立させた。また、この新しいタイプのゆらぎが後の宇宙の小規模構造形成に影響し、将来の21cm線観測によってそのシグナルが検出される可能性も議論した。

正如我在2018年的研究一样，我指出的是，早期宇宙中轴突的共振现象可以产生引力波的可能性，并定量评估了使用数值模拟产生的引力强度。特别是，成就是我们成功地开发了一个3D晶格仿真代码，用于分析由于斧头自相互作用和相关的引力波的产生而引起的参数共振，并能够产生新的结果。另一个成就是，在关注未来的多波长引力波观测的情况下，他们提出了轴突宇宙预测的引力波森林的概念。此外，对轴突和仪表场相互作用的模型的研究详细分析了早期宇宙中规格场的共振产生现象，这是一个事实证明的成就。在这项研究中，为了跟踪量规场的指数生长的极度非线性发展，我们开发了一个晶格模拟，该晶格模拟结合了轴和量规场之间的相互作用，最后计算了剩余的轴和量规场（暗光子）。特别是，这项研究提出了一种新的早期宇宙场景，该场景解释了深色光子中当前的深色物质，并能够提供从理论到未来的深色光子检测实验的新指导。我们还专注于原始黑洞有助于暗物质的情况，我们的研究成就之一是对原始黑洞形成的新密度波动的详细分析。特别是，已经认为先前的研究遵循泊松分布，但是这项研究指出，遵循对数正态分布的波动可能会发生。研究方法是使用晶格模拟的数值分析，并建立了一种新方法来测量形成的原始黑洞的数量。我们还讨论了这种新型波动会影响后来宇宙中小规模结构的形成的可能性，并且可以通过未来的21cm线观测来检测信号。

项目成果

Axion dark matter and Axion Electrodynamics in the (early) Universe and the Laboratory

（早期）宇宙和实验室中的轴子暗物质和轴子电动力学

• 发表时间: 2018
• 作者: Nan Fang;Kosuke Nagashio;北嶋直弥
• 通讯作者: 北嶋直弥

中性子星の電波観測によるアクシオン暗黒物質探索

利用中子星射电观测寻找轴子暗物质

• 发表时间: 2018
• 作者: Nan Fang;Kosuke Nagashio;北嶋直弥;北嶋直弥
• 通讯作者: 北嶋直弥

Gravitational wave emission and oscillon formation in string axiverse

弦轴宇宙中的引力波发射和振荡形成

• 发表时间: 2018
• 作者: Nan Fang;Kosuke Nagashio;北嶋直弥;北嶋直弥;北嶋直弥;北嶋直弥;北嶋直弥
• 通讯作者: 北嶋直弥

Electromagnetic effects induced by a time-dependent axion field

• DOI: 10.1103/physrevb.97.214409
• 发表时间: 2018-06
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: K. Taguchi;Tatsushi Imaeda;T. Hajiri;T. Shiraishi;Yukio Tanaka;N. Kitajima;T. Naka

Cosmological abundance of the QCD axion coupled to hidden photons

• DOI: 10.1016/j.physletb.2018.04.024
• 发表时间: 2017-11
• 期刊: Physics Letters B
• 影响因子: 4.4
• 作者: N. Kitajima;Toyokazu Sekiguchi;F. Takahashi