研究者詳細

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キタジマ　ナオヤ
北嶋　直弥
Naoya Kitajima
所属
高等研究機構学際科学フロンティア研究所　新領域創成研究部学際応用研究分野　先端基礎科学研究領域
職名
助教
学位

  • 博士（理学） （東京大学）

研究分野 1

  • 自然科学一般 / 素粒子、原子核、宇宙線、宇宙物理に関する理論 /

受賞 2

  1. Outstanding presentation award Gold Prize

    2019年11月　JGRG29

  2. 宇宙線研究所修士博士発表会 所長賞

    2014年2月　東京大学宇宙線研究所

論文 51

  1. Abelian-Higgs vortices in the oscillating axion background 査読有り

    Naoya Kitajima, Shota Nakagawa

    Physics Letters B　871　139993-139993　2025年12月

    出版者・発行元： Elsevier BV

    DOI： 10.1016/j.physletb.2025.139993 　

    ISSN：0370-2693

  2. Stability of domain walls with inflationary fluctuations under potential bias, and gravitational wave signatures 査読有り

    Naoya Kitajima, Junseok Lee, Fuminobu Takahashi, Wen Yin

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　2025　(07)　053-053　2025年7月1日

    出版者・発行元： IOP Publishing

    DOI： 10.1088/1475-7516/2025/07/053 　

    eISSN：1475-7516

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    Abstract A recent study has shown that domain walls with inflationary initial fluctuations exhibit remarkable stability against population bias due to long-range correlations, challenging the claims of prior research. In this paper, we study the dynamics of these domain walls in the presence of potential bias and show that they collapse with a lifetime several times longer than that due to thermal fluctuations. This is interpreted as a difference in the average distance between domain walls, leading us to derive a new formula for the domain wall lifetime which depends on the area parameter in a qualitatively different way from previous studies. In addition, we compute the spectrum of gravitational waves generated by such domain walls and find that both the peak frequency and the peak abundance are lowered in a manner that depends on the area parameter. Based on these findings, we also determine the necessary degree of vacuum degeneracy for axion domain walls to explain the isotropic cosmic birefringence.

  3. A bound on light dark photon dark matter 査読有り

    Naoya Kitajima, Shota Nakagawa, Fuminobu Takahashi, Wen Yin

    Physics Letters B　862　139304-139304　2025年3月

    出版者・発行元： Elsevier BV

    DOI： 10.1016/j.physletb.2025.139304 　

    ISSN：0370-2693

  4. Primordial origin of supermassive black holes from axion bubbles 査読有り

    Kentaro Kasai, Masahiro Kawasaki, Naoya Kitajima, Kai Murai, Shunsuke Neda, Fuminobu Takahashi

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　2024　(05)　092-092　2024年5月1日

    出版者・発行元： IOP Publishing

    DOI： 10.1088/1475-7516/2024/05/092 　

    eISSN：1475-7516

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    Abstract We study a modification of the primordial black hole (PBH) formation model from axion bubbles.We assume that the Peccei-Quinn scalar rolls down in the radial direction from a large field value to the potential minimum during inflation, which suppresses the axion fluctuations and weakens the clustering of PBHs on large scales.We find that the modified model can produce a sufficient number of PBHs that seed the supermassive black holes while avoiding the observational constraints from isocurvature perturbations and angular correlation of the high-redshift quasars.

  5. Gravitational waves from domain wall collapse, and application to nanohertz signals with QCD-coupled axions 査読有り

    Naoya Kitajima, Junseok Lee, Kai Murai, Fuminobu Takahashi, Wen Yin

    Physics Letters B　851　138586-138586　2024年4月

    出版者・発行元： Elsevier BV

    DOI： 10.1016/j.physletb.2024.138586 　

    ISSN：0370-2693

  6. Nanohertz gravitational waves from cosmic strings and dark photon dark matter 査読有り

    Naoya Kitajima, Kazunori Nakayama

    Physics Letters B　846　138213-138213　2023年11月

    出版者・発行元： Elsevier BV

    DOI： 10.1016/j.physletb.2023.138213 　

    ISSN：0370-2693

  7. Clustering of primordial black holes from QCD axion bubbles 査読有り

    Kentaro Kasai, Masahiro Kawasaki, Naoya Kitajima, Kai Murai, Shunsuke Neda, Fuminobu Takahashi

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　2023　(10)　049-049　2023年10月1日

    出版者・発行元： IOP Publishing

    DOI： 10.1088/1475-7516/2023/10/049 　

    eISSN：1475-7516

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    Abstract We study the clustering of primordial black holes (PBHs) and axion miniclusters produced in the model proposed to explain the LIGO/Virgo events or the seeds of the supermassive black holes (SMBHs) in ref. [1]. It is found that this model predicts large isocurvature perturbations due to the clustering of PBHs and axion miniclusters, from which we obtain stringent constraints on the model parameters. Specifically, for the axion decay constant  fa = 1016 GeV, which potentially accounts for the seeds of the SMBHs, the PBH fraction in dark matter should be fPBH ≲ 7 × 10-10. Assuming that the mass of PBHs increases by more than a factor of 𝒪(10) due to accretion, this is consistent with the observed abundance of SMBHs. On the other hand, for  fa = 1017 GeV required to produce PBHs of masses detected in the LIGO/Virgo, the PBH fraction should be fPBH ≲ 6 × 10-8, which may be too small to explain the LIGO/Virgo events, although there is a significant uncertainty in calculating the merger rate in the presence of clustering.

  8. Stochastic gravitational wave background from early dark energy 査読有り

    Naoya Kitajima, Tomo Takahashi

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　2023　(10)　074-074　2023年10月1日

    出版者・発行元： IOP Publishing

    DOI： 10.1088/1475-7516/2023/10/074 　

    eISSN：1475-7516

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    Abstract We study the production of stochastic gravitational wave background in early dark energy (EDE) models. It is generated by resonant amplification of scalar field fluctuations, which can easily take place for typical EDE potential based on the string axion or α-attractor model. The resultant spectrum of gravitational wave background is computed by performing 3D lattice simulations. We show that, specifically in some class of a generalized α-attractor EDE model, a significant amount of gravitational waves can be produced via tachyonic instability with a peak around femto-Hz frequency range. Models predicting such gravitational waves can be constrained by cosmic microwave background observations.

  9. Dark photon dark matter from cosmic strings and gravitational wave background 査読有り

    Naoya Kitajima, Kazunori Nakayama

    Journal of High Energy Physics　2023　(8)　2023年8月14日

    出版者・発行元： Springer Science and Business Media LLC

    DOI： 10.1007/jhep08(2023)068 　

    eISSN：1029-8479

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    Abstract Dark photon dark matter may be produced by the cosmic strings in association with the dark U(1) gauge symmetry breaking. We perform three-dimensional lattice simulations of the Abelian-Higgs model and follow the evolution of cosmic strings. In particular, we simulate the case of (very) light vector boson and find that such vector bosons are efficiently produced by the collapse of small loops while the production is inefficient in the case of heavy vector boson. We calculate the spectrum of the gravitational wave background produced by the cosmic string loops for the light vector boson case and find characteristic features in the spectrum, which can serve as a probe of the dark photon dark matter scenario. In particular, we find that the current ground-based detectors may be sensitive to such gravitational wave signals and also on-going/future pulsar timing observations give stringent constraint on the dark photon dark matter scenario.

  10. Stability of domain wall network with initial inflationary fluctuations and its implications for cosmic birefringence 査読有り

    Diego Gonzalez, Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi, Wen Yin

    Physics Letters B　843　137990-137990　2023年8月

    出版者・発行元： Elsevier BV

    DOI： 10.1016/j.physletb.2023.137990 　

    ISSN：0370-2693

  11. Viable vector coherent oscillation dark matter 査読有り

    Naoya Kitajima, Kazunori Nakayama

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　2023　(07)　014-014　2023年7月1日

    出版者・発行元： IOP Publishing

    DOI： 10.1088/1475-7516/2023/07/014 　

    eISSN：1475-7516

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    Abstract We construct a viable model of the vector coherent oscillation dark matter. The vector boson is coupled to the inflaton through the kinetic function so that the effective Hubble mass term is cancelled out. In order to avoid strong constraints from isocurvature perturbation and statistically anisotropic curvature perturbation, the inflaton is arranged so that it does not contribute to the observed large scale curvature perturbation and we introduce a curvaton. We found viable vector coherent oscillation dark matter scenario for the wide vector mass range from 10-21 eV to 1 eV.

  12. Resonant production of dark photons from axions without a large coupling 査読有り

    Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi

    Physical Review D　107　(12)　2023年6月15日

    出版者・発行元： American Physical Society (APS)

    DOI： 10.1103/physrevd.107.123518 　

    ISSN：2470-0010

    eISSN：2470-0029

  13. Power spectrum of domain-wall network, and its implications for isotropic and anisotropic cosmic birefringence 査読有り

    Naoya Kitajima, Fumiaki Kozai, Fuminobu Takahashi, Wen Yin

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　2022　(10)　043-043　2022年10月1日

    出版者・発行元： IOP Publishing

    DOI： 10.1088/1475-7516/2022/10/043 　

    eISSN：1475-7516

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    Abstract Recently, based on a novel analysis of the Planck satellite data, a hint of a uniform rotation of the polarization of cosmic microwave background photons, called isotropic cosmic birefringence, has been reported. The suggested rotation angle of polarization of about 0.2–0.4 degrees is close to the fine-structure constant, α ≃ 1/137 rad ≃ 0.42 deg. Interestingly, this coincidence can be naturally explained over a very wide parameter range by the domain walls of axion-like particles. Furthermore, the axion-like particle domain walls predict not only isotropic cosmic birefringence but also anisotropic one that reflects the spatial distribution of the axion-like particle field on the last scattering surface. In this paper, we perform lattice simulations of the formation and evolution of domain walls in the expanding universe and obtain for the first time the two-point correlation function and power spectrum of the scalar field that constitutes the domain walls. We find that for initial fluctuations at subhorizon scales, the power spectrum is roughly consistent with analytical predictions based on random wall distributions. However, there is some excess at scales corresponding to the Hubble radius. Applying our results to the anisotropic cosmic birefringence, we predict the power spectrum of the rotation angles induced by the axion-like particle domain walls for the similar initial condition, and show that it is within reach of future observations of the cosmic microwave background.

  14. Nonthermally trapped inflation by tachyonic dark photon production 査読有り

    Naoya Kitajima, Shota Nakagawa, Fuminobu Takahashi

    Physical Review D　105　(10)　2022年5月11日

    出版者・発行元： American Physical Society (APS)

    DOI： 10.1103/physrevd.105.103011 　

    ISSN：2470-0010

    eISSN：2470-0029

  15. New scenario of QCD axion clump formation. Part I. Linear analysis 査読有り

    Naoya Kitajima, Kazuhiro Kogai, Yuko Urakawa

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　2022　(03)　039-039　2022年3月1日

    出版者・発行元： IOP Publishing

    DOI： 10.1088/1475-7516/2022/03/039 　

    eISSN：1475-7516

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    Abstract The QCD axion acquires the potential through the non-perturbative effect of the QCD matters around the QCD phase transition. During this period, the direct interaction between the axion and the QCD matters sets in. Focusing on the impact of this direct interaction, we propose two scenarios where the fluctuation of the axion can rapidly grow, potentially leading to the formation of axion miniclusters even if the Peccei-Quinn (PQ) symmetry was already broken during inflation. The first scenario assumes that the primordial curvature perturbation at the horizon scale during the QCD epoch was significantly enhanced and the second one assumes that the initial misalignment was tuned around the hilltop of the potential.

  16. Primordial black holes in peak theory with a non-Gaussian tail 査読有り

    Naoya Kitajima, Yuichiro Tada, Shuichiro Yokoyama, Chul-Moon Yoo

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　2021　(10)　053-053　2021年10月1日

    出版者・発行元： IOP Publishing

    DOI： 10.1088/1475-7516/2021/10/053 　

    eISSN：1475-7516

  17. Nano-Hz Gravitational-Wave Signature from Axion Dark Matter 査読有り

    Naoya Kitajima, Jiro Soda, Yuko Urakawa

    Physical Review Letters　126　(12)　2021年3月26日

    出版者・発行元： American Physical Society (APS)

    DOI： 10.1103/physrevlett.126.121301 　

    ISSN：0031-9007

    eISSN：1079-7114

  18. Can axion clumps be formed in a pre-inflationary scenario? 査読有り

    Hayato Fukunaga, Naoya Kitajima, Yuko Urakawa

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　2021　(02)　015-015　2021年2月9日

    出版者・発行元： IOP Publishing

    DOI： 10.1088/1475-7516/2021/02/015 　

    eISSN：1475-7516

  19. Primordial black holes from QCD axion bubbles 査読有り

    Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　2020　(11)　060-060　2020年11月27日

    出版者・発行元： IOP Publishing

    DOI： 10.1088/1475-7516/2020/11/060 　

    eISSN：1475-7516

  20. Relic abundance of dark photon dark matter 査読有り

    Prateek Agrawal, Naoya Kitajima, Matthew Reece, Toyokazu Sekiguchi, Fuminobu Takahashi

    Physics Letters B　801　135136-135136　2020年2月

    出版者・発行元： Elsevier BV

    DOI： 10.1016/j.physletb.2019.135136 　

    ISSN：0370-2693

  21. Stochastic inflation with an extremely large number of e-folds 査読有り

    Naoya Kitajima, Yuichiro Tada, Fuminobu Takahashi

    Physics Letters B　800　135097-135097　2020年1月

    出版者・発行元： Elsevier BV

    DOI： 10.1016/j.physletb.2019.135097 　

    ISSN：0370-2693

  22. Efficient self-resonance instability from axions 査読有り

    Hayato Fukunaga, Naoya Kitajima, Yuko Urakawa

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　06　(055)　2019年6月

    DOI： 10.1088/1475-7516/2019/06/055 　

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    It was recently shown that a coherent oscillation of an axion can cause an<br /> efficient parametric resonance, leading to a prominent emission of the<br /> gravitational waves (GWs). In this paper, conducting the Floquet analysis, we<br /> investigate the parametric resonance instability, which potentially triggers<br /> the emission of the GWs from axions. Such a resonance instability takes place,<br /> when the time evolution of the background field significantly deviates from the<br /> harmonic oscillation. Therefore, the resonance instability cannot be described<br /> by the Mathieu equation, whose stability/instability chart is well known. In<br /> this paper, introducing an explicitly calculable parameter $\tilde{q}$, which<br /> can be used to classify different types of the parametric resonance described<br /> by the general Hill&#039;s equation, we investigate the stability/instability chart<br /> for the general Hill&#039;s equation. This can also apply to the case where the<br /> background oscillation is anharmonic. We show that the flapping resonance<br /> instability, which takes place for $\tilde{q}=O(1)$, typically leads to the<br /> most significant growth of the inhomogeneous modes among the self-resonance<br /> instability. We also investigate whether the flapping resonance takes place for<br /> the cosine potential or not.

  23. Distribution of primordial black holes and 21cm signature 査読有り

    Jinn-Ouk Gong, Naoya Kitajima

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　11　(041)　2018年11月

    DOI： 10.1088/1475-7516/2018/11/041 　

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    We show that the number of primordial black holes (PBHs) which is originated<br /> from primordial density perturbations with moderately-tilted power spectrum<br /> fluctuates following the log-normal distribution, while it follows the Poisson<br /> distribution if the spectrum is steeply blue. The log-normal, as well as the<br /> Poisson, fluctuation of the PBH number behaves as an isocurvature mode and<br /> affects the matter power spectrum and the halo mass function in a different way<br /> from those for the Poisson case. The future 21cm observation can potentially<br /> put a stronger constraint on the PBH fraction than the current one in a wide<br /> mass range, $10^{-5}M_\odot$--$10M_\odot$.

  24. Gravitational wave forest from string axiverse 査読有り

    Naoya Kitajima, Jiro Soda, Yuko Urakawa

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　10　(008)　2018年10月

    DOI： 10.1088/1475-7516/2018/10/008 　

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    Axions predicted in string theory may have a scalar potential which has a<br /> much shallower potential region than the conventional cosine potential. We<br /> first show that axions which were located at such shallow potential regions<br /> generically undergo prominent resonance instabilities: the well-known narrow<br /> resonance and/or the flapping resonance, which has not been well investigated.<br /> We also study non-linear dynamics of axions caused by these resonance<br /> instabilities based on lattice simulation. We find that string axions in<br /> various mass ranges generate gravitational waves (GWs) with peaks at various<br /> frequencies determined by the mass scales, dubbed the GW forest. This may allow<br /> us to explore string axiverse through future multi-frequency GW observations.<br /> We also investigate GWs produced by the axion which accounts for present dark<br /> matter component.

  25. Electromagnetic effects induced by a time-dependent axion field 査読有り

    Katsuhisa Taguchi, Tatsushi Imaeda, Tetsuya Hajiri, Takuya Shiraishi, Yukio Tanaka, Naoya Kitajima, Tatsuhiro Naka

    Physical Review B　97　(21)　214409　2018年6月11日

    出版者・発行元： American Physical Society

    DOI： 10.1103/PhysRevB.97.214409 　

    ISSN：2469-9969 2469-9950

  26. Cosmological abundance of the QCD axion coupled to hidden photons 査読有り

    Naoya Kitajima, Toyokazu Sekiguchi, Fuminobu Takahashi

    Physics Letters B　781　684-687　2018年6月

    出版者・発行元： Elsevier BV

    DOI： 10.1016/j.physletb.2018.04.024 　

    ISSN：0370-2693

  27. Refined study of isocurvature fluctuations in the curvaton scenario 査読有り

    Naoya Kitajima, David Langlois, Tomo Takahashi, Shuichiro Yokoyama

    JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS　12　(12)　2017年12月

    DOI： 10.1088/1475-7516/2017/12/042 　

    ISSN：1475-7516

  28. Cosmological stochastic Higgs field stabilization 査読有り

    Jinn-Ouk Gong, Naoya Kitajima

    PHYSICAL REVIEW D　96　(6)　063521　2017年9月

    DOI： 10.1103/PhysRevD.96.063521 　

    ISSN：2470-0010

    eISSN：2470-0029

  29. Small-scale structure and 21cm fluctuations by primordial black holes 査読有り

    Jinn-Ouk Gong, Naoya Kitajima

    JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS　08　(8)　2017年8月

    DOI： 10.1088/1475-7516/2017/08/017 　

    ISSN：1475-7516

  30. Curvaton as dark matter with secondary inflation 査読有り

    Jinn-Ouk Gong, Naoya Kitajima, Takahiro Terada

    JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS　03　(3)　2017年3月

    DOI： 10.1088/1475-7516/2017/03/053 　

    ISSN：1475-7516

  31. Topological defects and nano-Hz gravitational waves in aligned axion models 査読有り

    Tetsutaro Higaki, Kwang Sik Jeong, Naoya Kitajima, Toyokazu Sekiguchi, Fuminobu Takahashi

    JOURNAL OF HIGH ENERGY PHYSICS　08　(8)　2016年8月

    DOI： 10.1007/JHEP08(2016)044 　

    ISSN：1029-8479

  32. Quality of the Peccei-Quinn symmetry in the aligned QCD axion and cosmological implications 査読有り

    Tetsutaro Higaki, Kwang Sik Jeong, Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi

    JOURNAL OF HIGH ENERGY PHYSICS　06　(6)　2016年6月

    DOI： 10.1007/JHEP06(2016)150 　

    ISSN：1029-8479

  33. Level crossing between the QCD axion and an axionlike particle 査読有り

    Ryuji Daido, Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi

    PHYSICAL REVIEW D　93　(7)　075027　2016年4月

    DOI： 10.1103/PhysRevD.93.075027 　

    ISSN：2470-0010

    eISSN：2470-0029

  34. The QCD axion from aligned axions and diphoton excess 査読有り

    Tetsutaro Higaki, Kwang Sik Jeong, Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi

    Physics Letters B　755　13-16　2016年4月

    DOI： 10.1016/j.physletb.2016.01.055 　

    ISSN：0370-2693

    eISSN：1873-2445

  35. Disappearing inflaton potential via heavy field dynamics 査読有り

    Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi

    JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS　02　(2)　2016年2月

    DOI： 10.1088/1475-7516/2016/02/041 　

    ISSN：1475-7516

  36. Domain wall formation from level crossing in the axiverse 査読有り

    Ryuji Daido, Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi

    PHYSICAL REVIEW D　92　(6)　063512　2015年9月

    DOI： 10.1103/PhysRevD.92.063512 　

    ISSN：1550-7998

    eISSN：1550-2368

  37. Axion domain wall baryogenesis 査読有り

    Ryuji Daido, Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi

    JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS　07　(7)　2015年7月

    DOI： 10.1088/1475-7516/2015/07/046 　

    ISSN：1475-7516

  38. Degenerate spectrum in the neutrino mass anarchy with Wishart matrices and implications for $0νββ$ and $δ_{\rm CP}$ 査読有り

    Kwang Sik Jeong, Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi

    Physical Review D　91　(11)　113010　2015年6月

    DOI： 10.1103/PhysRevD.91.113010 　

    ISSN：2470-0010

    eISSN：2470-0029

  39. Gravitational waves from Higgs domain walls 査読有り

    Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi

    PHYSICS LETTERS B　745　(18)　112-117　2015年5月

    DOI： 10.1016/j.physletb.2015.04.040 　

    ISSN：0370-2693

    eISSN：1873-2445

  40. 26aSD-5 Domain Wall Formation from Level Crossing in the Axiverse

    大道 竜次, 北嶋 直弥, 高橋 史宜

    日本物理学会講演概要集　70　18-18　2015年

    出版者・発行元： 一般社団法人日本物理学会

    DOI： 10.11316/jpsgaiyo.70.2.0_18 　

    ISSN：2189-079X

  41. Resonant conversions of QCD axions into hidden axions and suppressed isocurvature perturbations 査読有り

    Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi

    JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS　01　(1)　2015年1月

    DOI： 10.1088/1475-7516/2015/01/032 　

    ISSN：1475-7516

  42. Hidden axion dark matter decaying through mixing with QCD axion and the 3.5 keV X-ray line 査読有り

    Tetsutaro Higaki, Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi

    JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS　12　(12)　2014年12月

    DOI： 10.1088/1475-7516/2014/12/004 　

    ISSN：1475-7516

  43. Relaxing isocurvature bounds on string axion dark matter 査読有り

    Masahiro Kawasaki, Naoya Kitajima, Fuminobu Takahashi

    PHYSICS LETTERS B　737　(7)　178-184　2014年10月

    DOI： 10.1016/j.physletb.2014.08.017 　

    ISSN：0370-2693

    eISSN：1873-2445

  44. Thermal effects and sudden decay approximation in the curvaton scenario 査読有り

    Naoya Kitajima, David Langlois, Tomo Takahashi, Tomohiro Takesako, Shuichiro Yokoyama

    JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS　10　(10)　2014年10月

    DOI： 10.1088/1475-7516/2014/10/032 　

    ISSN：1475-7516

  45. Gravitational waves from a curvaton model with blue spectrum 査読有り

    Masahiro Kawasaki, Naoya Kitajima, Shuichiro Yokoyama

    JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS　08　(8)　2013年8月

    DOI： 10.1088/1475-7516/2013/08/042 　

    ISSN：1475-7516

  46. Heavy gravitino in hybrid inflation 査読有り

    Masahiro Kawasaki, Naoya Kitajima, Kazunori Nakayama, Tsutomu T. Yanagida

    Journal of Cosmology and Astroparticle Physics　2013　(6)　2013年6月

    DOI： 10.1088/1475-7516/2013/06/037 　

    ISSN：1475-7516

  47. Primordial black hole formation from an axionlike curvaton model 査読有り

    Masahiro Kawasaki, Naoya Kitajima, Tsutomu T. Yanagida

    Physical Review D　87　(6)　2013年3月18日

    出版者・発行元： American Physical Society (APS)

    DOI： 10.1103/physrevd.87.063519 　

    ISSN：1550-7998

    eISSN：1550-2368

  48. Smooth hybrid inflation in a supersymmetric axion model 査読有り

    Masahiro Kawasaki, Naoya Kitajima, Kazunori Nakayama

    PHYSICAL REVIEW D　87　(3)　035010　2013年2月

    DOI： 10.1103/PhysRevD.87.035010 　

    ISSN：1550-7998

  49. Revisiting the cosmological coherent oscillation 査読有り

    Masahiro Kawasaki, Naoya Kitajima, Kazunori Nakayama

    PHYSICAL REVIEW D　87　(2)　023513　2013年1月

    DOI： 10.1103/PhysRevD.87.023513 　

    ISSN：1550-7998

  50. Cosmological aspects of inflation in a supersymmetric axion model 査読有り

    Masahiro Kawasaki, Naoya Kitajima, Kazunori Nakayama

    PHYSICAL REVIEW D　83　(12)　123521　2011年6月

    DOI： 10.1103/PhysRevD.83.123521 　

    ISSN：1550-7998

  51. Inflation from a supersymmetric axion model 査読有り

    Masahiro Kawasaki, Naoya Kitajima, Kazunori Nakayama

    PHYSICAL REVIEW D　82　(12)　123531　2010年12月

    DOI： 10.1103/PhysRevD.82.123531 　

    ISSN：2470-0010

    eISSN：2470-0029

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講演・口頭発表等 95

  1. Primordial black hole formation from the merger of oscillons

    Naoya Kitajima

    Dark matter and black holes　2025年12月4日

  2. Multimodal axion emissions from Abelian-Higgs cosmic strings

    Naoya Kitajima

    Axions in Japan　2025年11月13日

  3. ドメインウォールの非球対称崩壊による原始ブラックホール形成

    北嶋直弥

    日本物理学会第80回年次大会　2025年9月17日

  4. Light particle emissions from cosmic strings 招待有り

    Naoya Kitajima

    The 4th International BSM Workshop: Building for Tomorrow　2025年8月25日

  5. Primordial black hole formation from collapsing domain walls

    北嶋直弥

    New Perspectives on Cosmology 2025　2025年2月5日

  6. Black hole formation from collapsing domain walls

    北嶋直弥

    Gravity 2025: New Horizon of Black Hole Physics　2025年1月31日

  7. Gravitational relics from topological defects 招待有り

    The International Joint Workshop on the Standard Model and Beyond 2024/3rd Gordon Godfrey Workshop on Astroparticle Physics　2024年12月9日

  8. ドメインウォールによる原始ブラックホール形成

    北嶋直弥

    第13回 観測的宇宙論ワークショップ　2024年9月25日

  9. ドメインウォールによる原始ブラックホール形成

    北嶋直弥

    日本物理学会 第79回年次大会　2024年9月17日

  10. Cosmic string network and gravitational waves 国際会議

    Naoya Kitajima

    New Perspectives on Cosmology 2024　2024年1月12日

  11. 原始ブラックホールによる非ガウス性密度揺らぎ

    北嶋直弥

    第12回 観測的宇宙論ワークショップ　2023年12月12日

  12. Gravitational waves from early dark energy 国際会議

    Naoya Kitajima

    The 32nd Workshop on General Relativity and Gravitation in Japan　2023年11月30日

  13. Nanohertz gravitational waves from axion domain walls coupled to QCD 国際会議 招待有り

    Naoya Kitajima

    KiPAS international workshop "From particle physics to supernovae and early Universe"　2023年11月23日

  14. 中性子星磁場を用いたアクシオン探索 招待有り

    北嶋直弥

    Aso workshop on Particle Physics and Cosmology 2023　2023年11月13日

  15. Cosmic string network and dark photon dark matter 国際会議 招待有り

    Naoya Kitajima

    IBS CTPU-CGA 2023 Workshop on Topological Defects　2023年9月27日

  16. Gravitational waves from early dark energy

    北嶋直弥

    日本物理学会 第78回年次大会　2023年9月18日

  17. （一般シンポジウム講演）中性子星磁気圏におけるアクシオン暗黒物質の物理 招待有り

    北嶋直弥

    日本物理学会 第78回年次大会　2023年9月16日

  18. 宇宙初期のダークフォトン生成と重力波放射

    北嶋直弥

    素粒子物理学の進展２０２３　2023年9月1日

  19. Cosmological production of dark photon dark matter 国際会議

    Naoya Kitajima

    XV International Conference on Gravitation, Astrophysics and Cosmology (ICGAC15)　2023年7月6日

  20. Production of very light dark photon dark matter 国際会議

    Naoya Kitajima

    Workshop on Very Light Dark Matter 2023　2023年3月28日

  21. 宇宙ひもによるダークフォトン生成と重力波放射

    北嶋直弥

    日本物理学会 2023年春季大会　2023年3月24日

  22. 初期宇宙における軽いダークフォトンダークマターの生成

    北嶋直弥

    素粒子現象論研究会2022　2023年3月17日

  23. Production of light dark photon dark matter in the early universe 国際会議

    Naoya Kitajima

    What is dark matter? - Comprehensive study of the huge discovery space in dark matter　2023年3月7日

  24. Cosmic strings and dark photon dark matter 国際会議 招待有り

    Naoya Kitajima

    2023 Winter-I NRF-JSPS Workshop in particle physics, cosmology, and gravitation　2023年1月17日

  25. 中性子星磁気圏のアクシオンダークマターによる電波放射

    北嶋直弥

    第11回観測的宇宙論ワークショップ　2022年12月12日

  26. Axion dark matter in neutron star magnetosphere 招待有り

    Naoya Kitajima

    DM3 - Deep insights and Multiple strategies for Deciphering the Mystery of Dark Matter　2022年9月15日

  27. Parametric resonance instability of the QCD axion 招待有り

    Naoya Kitajima

    The 6th KEK-PH + 2nd KEK-COSMO joint mini-workshop (Online)　2022年3月9日

  28. 重力波で探るアクシオン宇宙 招待有り

    北嶋直弥

    若手による重力・宇宙論研究会2021　2021年3月17日

  29. アクシオン暗黒物質のnHz重力波シグナル

    北嶋直弥

    日本物理学会 第76回年次大会　2021年3月13日

  30. Primordial Black Holes from QCD Axion Bubbles

    Naoya Kitajima

    Online JGRG workshop 2020　2020年11月26日

  31. アクシオン暗黒物質のnHz重力波シグナル

    北嶋直弥

    第９回観測的宇宙論ワークショップ　2020年11月10日

  32. Primordial Black Holes from QCD Axion Bubbles

    Naoya Kitajima

    The 14th International Conference on Gravitation, Astrophysics and Cosmology　2020年8月18日

  33. 宇宙初期のアクシオンの振動によるゲージ場生成および重力波生成

    北嶋直弥

    日本物理学会第75回年次大会　2020年3月19日

  34. アクシオンの宇宙論と検出実験 招待有り

    北嶋直弥

    第8回観測的宇宙論ワークショップ　2019年12月16日

  35. Dark Matter in the Universe and Axion

    北嶋直弥

    4th FRIS retreat　2019年11月28日

  36. Gravitational waves from axionic gauge field production 国際会議

    北嶋直弥

    JGRG29　2019年11月25日

  37. 宇宙の暗黒物質とアクシオン

    北嶋直弥

    4th FRIS/DIARE Joint Workshop　2019年8月6日

  38. AXION理論 招待有り

    北嶋直弥

    ダークマターの懇談会2019　2019年7月5日

  39. Gravitational wave forest from axons 国際会議

    北嶋直弥

    Axion Cosmology　2019年5月14日

  40. 中性子星の電波観測によるアクシオン暗黒物質探索

    北嶋直弥

    日本物理学会第74回年次大会　2019年3月14日

  41. Dark photon dark matter production from axion oscillations 国際会議

    北嶋直弥

    Accelerating Universe in the Dark　2019年3月4日

  42. Axion dark matter in a neutron star magnetosphere 国際会議

    北嶋直弥

    FAPESP-JSPS Workshop　2019年2月18日

  43. 中性子星の電波観測によるアクシオン暗黒物質探索

    北嶋直弥

    第３１回理論懇シンポジウム　2018年12月19日

  44. Dark photon dark matter from axion oscillations 国際会議

    北嶋直弥

    KEK-PH　2018年12月4日

  45. 中性子星の電波観測によるアクシオン暗黒物質探索

    北嶋直弥

    第７回観測的宇宙論ワークショップ　2018年11月12日

  46. Distribution of primordial black holes and 21cm signature 国際会議

    北嶋直弥

    JGRG28　2018年11月5日

  47. ストリングアクシオンによる重力波生成

    北嶋直弥

    日本物理学会2018年秋季大会　2018年9月14日

  48. Gravitational wave forest from string axiverse 国際会議

    北嶋直弥

    COSMO18　2018年8月27日

  49. Comology of the (QCD) axion coupled with hidden photons

    北嶋直弥

    素粒子物理学の進展2018　2018年8月6日

  50. 空洞共振器によるアクシオン暗黒物質探索

    北嶋直弥

    日本物理学会第73回年次大会　2018年3月22日

  51. Gravitational wave emission and oscillon formation in string axiverse 国際会議

    北嶋直弥

    KEK-PH　2018年2月13日

  52. Small-scale structure and 21cm fluctuations by prmordial Black holes 国際会議

    北嶋直弥

    CosPA 2017　2017年12月11日

  53. Cosmological Higgs stabilization by a stochastic spectator field 国際会議

    北嶋直弥

    Workshop on Beyond Standard Model and the Early Universe　2017年10月25日

  54. 原始ブラックホールによるミニハロー形成と21cm線観測

    北嶋直弥

    第6回観測的宇宙論ワークショップ　2017年10月23日

  55. Cosmological stochastic Higgs stabilization 国際会議

    北嶋直弥

    COSMO-17　2017年9月1日

  56. Small-scale structure and 21cm fluctuations by Primordlal Black Holes 国際会議 招待有り

    北嶋直弥

    13th Recontres du Vietnam, Cosmology　2017年7月9日

  57. Study of Axion Dark Matter Detection Using Josephson Junctions 国際会議

    北嶋直弥

    The 3rd International Symposium on "Quest for the Origin of Particle and the Universe"　2017年1月5日

  58. Topological defects in aligned axion models 国際会議

    北嶋直弥

    The 5th UTQuest workshop　2016年12月12日

  59. Aligned QCD axion 国際会議

    北嶋直弥

    The 6th KIAS workshop on Particle Physics and Cosmology　2016年10月24日

  60. Topological Defects and Gravitational Waves from Aligned Axions 国際会議

    北嶋直弥

    International Workshop for String theory and Cosmology 2016　2016年8月17日

  61. Revisiting CDM isocurvature fluctuations in curvaton scenario 国際会議 招待有り

    北嶋直弥

    3rd Korea-Japan Workshop on Dark Energy　2016年4月4日

  62. Cosmological implications of level crossing between QCD axion and ALP 国際会議

    北嶋直弥

    APCTP 2015 Workshop on Frontiers of Physics　2015年12月20日

  63. Disappearing Inflaton Potential 国際会議

    北嶋直弥

    JGRG25　2015年12月7日

  64. Cosmological implications of level crossing between QCD axion and ALP 国際会議 招待有り

    北嶋直弥

    IBS-PNU Joint Workshop on Particle Physics, String Theory and Cosmology　2015年12月2日

  65. Cosmological implications of the level crossing between QCD axion and ALP 国際会議

    北嶋直弥

    KIAS-CFHEP Workshop and the 5th KIAS workshop on particle physics and cosmology　2015年11月10日

  66. Disappearing Inflaton Potential 国際会議

    北嶋直弥

    The origin and evolution of the Universe　2015年10月23日

  67. Domain wall formation and baryogenesis in the Axiverse 国際会議

    北嶋直弥

    CosPA 20175　2015年10月12日

  68. Disappearing Inflaton Potential via Heavy Field Dynamics 国際会議

    北嶋直弥

    International Workshop on Particle Physics and Cosmology　2015年9月14日

  69. Domain wall formation via “Axion Roulette” and axion domain wall baryogenesis 国際会議

    北嶋直弥

    COSMO-15　2015年9月7日

  70. Domain wall in the Axiverse 国際会議 招待有り

    北嶋直弥

    APCTP-TUS Joint Workshop　2015年8月3日

  71. Axion domain wall baryogenesis 国際会議

    北嶋直弥

    Gordon Research Conferences String Theory & Cosmology　2015年5月31日

  72. Resonant conversion of QCD axions into hidden axions and suppressed isocurvature perturbations

    北嶋直弥

    日本物理学会第70回年次大会　2015年3月21日

  73. Gravitational waves from Higgs domain walls 国際会議

    北嶋直弥

    B-mode Cosmology　2015年2月21日

  74. Resonant conversion of QCD axions into hidden axions 国際会議

    北嶋直弥

    KEK Theory Workshop　2015年1月29日

  75. Degenerate spectrum in the neutrino mass anarchy with Wishart matrices and implications for 0νββ & δCP

    北嶋直弥

    ニュートリノ現象論小研究会　2015年1月10日

  76. Resonant conversion of QCD axions into hidden axions 国際会議

    北嶋直弥

    JGRG24　2014年11月10日

  77. Resonant conversion of QCD axions into hidden axions and suppressed isocurvature perturbations 国際会議

    北嶋直弥

    4th KIAS Workshop on Particle Physics and Cosmology　2014年10月30日

  78. Hidden axion dark matter (decaying through) mixing with QCD axion 国際会議

    北嶋直弥

    IBS MultiDark Joint Focus Program: WIMPs and Axions　2014年10月20日

  79. Thermal inflation and isocurvature bound on string axion dark matter 国際会議

    北嶋直弥

    COSMO-14　2014年8月24日

  80. Thermal inflation and isocurvature bound on string axion dark matter

    北嶋直弥

    素粒子物理学の進展2014　2014年7月28日

  81. 21cm signature from cosmic string-induced minihaloes

    北嶋直弥

    理論懇シンポジウム2013　2013年12月25日

  82. Gravitational waves from a curvaton model with blue spectrum 国際会議

    北嶋直弥

    PASCOS2013　2013年11月20日

  83. Gravitational waves from curvaton 国際会議

    北嶋直弥

    CosPA 2013　2013年11月12日

  84. 21cm signature of minihaloes from cosmic string wakes 国際会議

    北嶋直弥

    JGRG23　2013年11月5日

  85. Gratational waves from a curvaton model with blue spectrum

    北嶋直弥

    日本物理学会2013秋季大会　2013年9月20日

  86. Heavy gravitino in hybrid inflation

    北嶋直弥

    素粒子物理学の進展2013　2013年8月5日

  87. Gravitational waves from a curvaton model with blue spectrum 国際会議

    北嶋直弥

    YKIS2034　2013年6月2日

  88. Smooth hybrid inflation in a supersymmetric axion model

    北嶋直弥

    日本物理学会第68回年次大会　2013年3月26日

  89. Smooth hybrid inflation in a supersymmetric axion model 国際会議

    北嶋直弥

    KEK-PH2013　2013年3月4日

  90. Primordial black hole formation from an axion-like curvaton model 国際会議

    北嶋直弥

    COSMO-12　2012年9月10日

  91. Primordial black hole formation in an axion-like curvaton model 国際会議

    北嶋直弥

    SI2012　2012年8月18日

  92. Primordial black hole formation from an axion-like curvaton model

    北嶋直弥

    素粒子物理学の進展2012　2012年7月18日

  93. Revising the cosmological coherent oscillation

    北嶋直弥

    日本物理学会第67回年次大会　2012年3月24日

  94. Cosmological aspects of inflation in a supersymmetric axion model

    北嶋直弥

    日本物理学会2011秋季大会　2011年9月16日

  95. Inflation from a Supersymmetric Axion Model 国際会議

    北嶋直弥

    KEK-PH 2011　2011年3月2日

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共同研究・競争的資金等の研究課題 14

  1. 宇宙初期における位相欠陥の一 般相対論的シミュレーション

    北嶋直弥, 神田行宏, 藤林翔, 滝沢 寛之

    2025年4月 ～ 2026年3月

  2. 宇宙初期における位相欠陥の大規模格子シミュレーショ ン

    北嶋直弥

    2025年4月 ～ 2026年3月

  3. 強磁場高密度天体で探るアクシオン暗黒物質

    北嶋 直弥, 木坂 将大

    2021年4月1日 ～ 2025年3月31日

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    本研究では我々の宇宙における暗黒物質の有力候補であるアクシオンに焦点を当て、近傍宇宙に点在する強磁場高密度天体の電磁波観測によってアクシオン暗黒物質の間接検出が可能かどうかを理論的に検証することを目指している。特に中性子星に代表される天体周りの磁場構造、およびプラズマのダイナミクスに関する最先端の知見を取り入れ、それら天体の磁気圏でアクシオンが引き起こす特異な電磁気現象をシミュレーションを駆使して詳細に解析し、期待されるアクシオン由来の電磁波シグナルを定量的に評価することで観測可能性を明らかにすることを目的としている。以下、研究代表者の北嶋と研究分担者の木坂が2022年度に行なった研究の具体的内容を記す。 代表者の北嶋は、中性子星磁気圏におけるアクシオン・光子変換過程についての詳細な計算を行い、特に磁気圏における現実的なプラズマ粒子数分布を考慮した新たな効果を取り入れて、アクシオン暗黒物質の運動に起因する電波放射の角度依存性、シグナルの時間依存性を明らかにした。分担者の木坂は、中性子星磁気圏からのアクシオン起源の電波放射の検出に向け、その妨げとなる中性子星固有の電波放射が起こらないと想定される条件を満たす中性子星磁気圏のプラズマ状態に対して粒子シミュレーションを行い、そのパラメータを明らかにした。北嶋、木坂の各々の研究は相補的であり、双方の結果を組み合わせることで相乗効果が生じる。実際、代表者の北嶋と分担者の木坂は研究協力者である門田、當真とともに１、２ヶ月に一度程度の研究打ち合わせをリモートで行うことで緊密な連携を取り続けており、その結果、北嶋が担当するアクシオン・光子変換の解析と木坂が担当する中性子星磁気圏のプラズマのダイナミクスの効果を融合する段階まで達している。

  4. 宇宙初期における位相欠陥の大規模格子シミュレーショ ン

    北嶋直弥

    2024年4月 ～ 2025年3月

  5. 大型電波望遠鏡SKAで切り拓くアクシオン暗黒物質探査

    浦川 優子, 市來 淨與, 北嶋 直弥

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))

    研究機関：High Energy Accelerator Research Organization

    2021年10月 ～ 2025年3月

    詳細を見る 詳細を閉じる

    本研究の目的は、日本及びドイツの国際共同研究ネットワークを確立し、電波観測を通じてアクシオン暗黒物質の痕跡の網羅的な探査を行うことである。昨年度は、本事業の研究計画を実行し、以下の成果を得た。アクシオンは暗黒物質の有力な候補の一つであるが、元々はQCDの強いCP問題を解決するために提案されたものである。暗黒物質の有力な候補であるQCDアクシオンは、QCD相転移期にグルーオンとの直接相互作用を通じてポテンシャルを獲得する。この直接相互作用が、宇宙におけるアクシオンの空間分布に与える影響は、これまでほとんど考えられていなかった。2022年3月に、Journal of Cosmology and Astroparticle Physicsに出版された論文（Kogai, Kitajima, Urakawa JCAP 03 (2022) 03, 039）では、直接相互作用の影響により、アクシオンが非常に非一様性な空間分布を形成することを示した。この結果は、アクシオン模型の重要なパラメータであるPeccei-Quinnスケールを宇宙の観測から探る際に、従来課されていた基本的な仮定を、再考する必要があることを示唆する。 <BR> さらに、研究計画の一つである、電波観測を通じたアクシオン暗黒物質の探査については、2021年11月にVLA/VLBAにおける観測提案が採択され、現在観測を開始しデータの収集を開始している。 <BR> 加えて、コロナ禍における日独の共同研究体制の構築に向け、日独の研究者が集い議論を行う機会として、日独ジョイントセミナーを組織し、２０２２年２月より、月に一回、本事業と関連する分野の専門家を招きオンラインセミナーを実施している。

  6. 強磁場高密度天体で探るアクシオン暗黒物質

    北嶋 直弥, 木坂 将大

    2021年4月 ～ 2025年3月

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    本研究では我々の宇宙における暗黒物質の有力候補であるアクシオンに焦点を当て、近傍宇宙に点在する強磁場高密度天体の電磁波観測によってアクシオン暗黒物質の間接検出が可能かどうかを理論的に検証することを目指している。特に中性子星、白色矮星といった天体周りの磁場構造およびプラズマのダイナミクスに関する最先端の知見を取り入れ、それら天体の磁気圏でアクシオンが引き起こす特異な電磁気現象をシミュレーションを駆使して詳細に解析し、期待されるアクシオン由来の電磁波信号を定量的に評価することで観測可能性を明らかにすることを目的としている。以下、研究代表者の北嶋と研究分担者の木坂が2021年度に行なった研究の具体的内容を記す。 代表者の北嶋はアクシオンと電磁場の相互作用系をコンピュータ上の格子空間で解く数値シミューションコードの開発を行なった。当初の計画であった、曲がった背景時空の効果や、現実に則したアクシオンの速度分布を取り入れたコード開発は、テストシミュレーションも含め、成功している。また、アクシオンの自己重力相互作用の効果も取り入れ、ソリトンを形成している場合についてのシミュレーションにも成功した。 分担者の木坂はアクシオン-光子の変換率に対して中性子星磁気圏の現実的なプラズマの状態を考慮した結果、粒子数だけでなくこれまで考えられていないその温度が重要であることを特定した。また、実際の電波観測を想定して観測の研究者との打ち合わせを通して変換率の制限として重要となるターゲットの選定を行なった。 代表者の北嶋と分担者の木坂は１、２ヶ月に一度程度の研究打ち合わせをリモートで行い、緊密な連携を取り続けている。その結果、北嶋が開発したシミュレーションと木坂が指摘する中性子星磁気圏の粒子数・温度の効果を融合する段階まで達した。本成果は速やかに論文にまとめ、発表する予定である。

  7. 軽いダークマターの生成と進化に関する理論的探究

    高橋 史宜, 山田 將樹, 川崎 雅裕, 北嶋 直弥

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

    研究機関：Tohoku University

    2020年11月 ～ 2025年3月

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    宇宙マイクロ波背景放射の偏光データの解析によって、その偏光パターンから宇宙マイクロ波背景放射の偏光面が回転している兆候があることが指摘されていた。山田は、高橋とともに理論的にこの結果を自然に説明するメカニズムとして、アクシオンがダークマターのエネルギーによって質量を得ることで運動を開始する機構を提唱した。この機構によると、宇宙マイクロ波背景放射の偏光に影響を与えるような非常に軽いアクシオンが、ダークマターとも関連していることになり、将来的にダークマターの直接探査実験によって検証されることが期待される。川崎は非常に質量の軽いアクシオンが宇宙初期にオシロンと呼ばれるソリトンを形成し，それが宇宙の構造形成に与える影響を調べ，オシロンの崩壊過程でアクシオンの小スケール揺らぎが減衰し，それによってアクシオンに制限が得られることを明らかにした。高橋は本研究において雇用している殷文氏とともに、非常に軽いアクシオンから構成されるドメインウォールが等方および非等方宇宙複屈折へ寄与することを提唱した。とくに、アクシオンの質量および光子との結合定数の広いパラメター領域において、観測されている程度の回転角を自然に説明することができることを示すことができた。殷は初期宇宙の相転移における新たな軽い暗黒物質の生成機構を提唱した他、ヒッグス混合による暗黒物質の質量起源および軽い暗黒物質の新しい実験方法を提示した。北嶋は宇宙初期におけるアクシオンによるゲージ場生成に着目したこれまでの研究を拡張し、ヒッグス場を新たに導入したモデルの解析を行なった。その結果、新たなヒッグス場が短期間のインフレーションを担うことを発見し、残存モジュライ問題の新たな解決法となることを指摘した。

  8. 極弱相互作用を持つ軽い新粒子の描く新宇宙描像とその実験的検証

    高橋 史宜, 石渡 弘治, 北嶋 直弥

    2020年4月 ～ 2025年3月

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    高橋は，現在の宇宙のバリオン非対称性を説明するひとつのシナリオとして知られていた，インフレーションが生じる前に非常に大きなバリオン非対称性を生成するシナリオに着目し，このようなシナリオにおいては断熱揺らぎと相関を持つバリオン等曲率揺らぎが大きくなりすぎることを発見した。これまでは原理的にはインフレーション以前に十分大きなバリオン数を用意すれば現在の宇宙に存在するバリオン非対称性を説明できると考えられていた。この結果，インフレーション以前にバリオン生成するシナリオは完全に棄却され，インフレーション後にバリオン非対称性を生成しなくてはならないことが初めて論理的に示すことができた。更にアクシオンの振動エネルギーがモノポールのWitten効果とシュウィンガー効果によって散逸することを指摘し，アクシオンダークマターに関するシナリオに示唆を与えた。石渡は宇宙観測と整合性の高い超共形ハイブリッドインフレーションモデルを拡張し、インフレーション後にレプトン数を生成する機構を考えた。保存量子数の伝搬の解析により、残存するバリオン数が現在の観測量と整合することを明らかにした。北嶋はHubble tensionに動機づけられたEarly dark energyのモデルとして極弱粒子であるアクシオンに着目し、自己共鳴現象による重力波生成を格子シミュレーションにより明らかにした。特に、宇宙背景放射の観測によりモデルの検証が可能であることを明らかにした。

  9. 重力波多波長観測で切り拓くアクシオン宇宙

    浦川 優子, 北嶋 直弥, 西澤 篤志

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    2019年4月 ～ 2023年3月

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    本研究の主たる目的は、重力波観測を通じてアクシオン暗黒物質の痕跡の探査を行うことであるが、本年度は、この派生研究において複数の成果が得られた。 <BR> アクシオンは暗黒物質の有力な候補の一つであるが、元々はQCDの強いCP問題を解決するために提案されたものである。暗黒物質の有力な候補であるQCDアクシオンは、QCD相転移期にグルーオンとの直接相互作用を通じてポテンシャルを獲得する。この直接相互作用が、宇宙におけるアクシオンの空間分布に与える影響は、これまでほとんど考えられていなかった。2022年3月に、Journal of Cosmology and Astroparticle Physicsに出版された論文（Kogai, Kitajima, Urakawa JCAP 03 (2022) 03, 039）では、直接相互作用の影響により、アクシオンが非常に非一様な空間分布を形成することを示した。この結果は、アクシオン模型の重要なパラメータであるPeccei-Quinnスケールを宇宙の観測から探る際に、従来課されていた基本的な仮定を、再考する必要があることを示唆する。 <BR> また、2021年7月に、同じくJournal of Cosmology and Astroparticle Physicsに出版された論文（Tanaka and Urakawa JCAP 07 (2021) 051）では、宇宙初期の加速膨張期であるインフレーション期に生成される原始重力波の計算の簡便法の開発に成功した。この成果により、これまではコストの高い数値計算が必要であった場合にも、解析的に原始重力波の計算が可能となる。

  10. 中性子星観測によるアクシオン暗黒物質の間接検出に向けた理論研究

    北嶋 直弥

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

    研究機関：Tohoku University

    2019年4月 ～ 2022年3月

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    本研究では我々の宇宙に存在する暗黒物質の有力候補の一つである新粒子アクシオンに着目し、宇宙に点在する中性子星を用いた間接検出に向けた理論的解析を行なった。特に、中性子星近傍のアクシオンと電磁場との微弱な相互作用に着目し、系の発展を数値的に追うためのシミュレーション開発を行なった。 開発した数値コードは初期宇宙におけるアクシオンとゲージ場との共鳴現象にも応用され、ダークフォトン暗黒物質生成や重力波生成の新たな可能性も指摘した。

  11. 超伝導接合による暗黒物質アキシオンの検出のための基盤技術開発

    柏谷 聡, 山森 弘毅, 中 竜大, 田仲 由喜夫, 北嶋 直弥

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

    研究機関：Nagoya University

    2018年4月 ～ 2021年3月

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    ジョセフソン素子とアクシオンの相互作用の基礎を確立し、実験室系の装置を用ることでアクシオンを探索する手法を構築することを目指す。当初はジョセフソン素子のコンダクタンスからアクシオンに関する信号を検出することを目指して実験を進めたが、アクシオン由来の構造は観測されなかった。そのため独自の手法として、rf電流からの共振磁場の観測を目指し、理論解析と実験を進めた。発生磁場はrf周波数とアクシオンの周波数を一致させることにより共鳴的に増加し、SQUID等の高感度磁場検出により測定が可能であることが示せた。現在SQUIDとジョセフソン素子を組み合わせた独自の構造の素子を開発し、測定を進めている。

  12. アクシオンと初期宇宙シナリオに関する研究

    北嶋 直弥

    2017年4月 ～ 2020年3月

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    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。

  13. ジョセフソン接合素子における量子干渉効果を用いた暗黒物質アクシオン検出の基礎研究

    中 竜大, 赤池 宏之, 武内 勇司, 北嶋 直弥, 白石 卓也

    提供機関：Japan Society for the Promotion of Science

    制度名：Grants-in-Aid for Scientific Research

    研究種目：Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research

    研究機関：Nagoya University

    2016年4月 ～ 2018年3月

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    本研究は、自然科学における最重要課題における暗黒物質アクシオンの新たな検出方法を追求することを目的として、特に、ジョセフソン接合素子における超伝導体を構成するクーパー対とアクシオンとの位相干渉による検出可能性について探求することを目的としたものである。 本課題において、Nb/Al/Nbのジョセフソン接合素子の作成とその測定によるdV/dI-V特性を取得でき、ノイズレベルは高いが、アンドレーフ反射と思われる信号検出ができた。この測定をベースに、本格的な測定に向けた課題が明確化され、それに伴い新たな共同研究を発展させた。さらに、物性研究との新たな連携を作ることができ分野開拓を進めることができた。

  14. 超対称性アクシオン模型の宇宙論

    北嶋 直弥

    2012年 ～ 2013年

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    平成25年度における私の研究として、カーバトン模型という一つの初期宇宙模型に着目し、この模型を将来の重力波観測によって検出する可能性などを議論した。 本研究ではインフレーション中にインフラトンに加えて「カーバトン」というスカラー場が存在するシナリオに着目した。このような状況は超重力理論の枠組みにおいて自然と実現され、特に質量がインフレーション中のハッブルスケールと同じくらいであるようなカーバトンが予言されることが多々ある。私はこのようなカーバトンにおいて曲率ゆらぎのパワースペクトルが小スケールで大きくなるという特徴に着目し、インフレーション後にスカラーゆらぎの2次の効果から重力波が生成されるという先行研究を応用して、このシナリオで予言される重力波が将来の重力波観測によって検出されうるかどうかを議論した。特に具体的なカーバトン模型として2次のポテンシャルをもつシンプルな模型と超対称性アクシオン模型に基づく模型において計算を行った。結果として、LISA, DECIGOなどの将来の直接検出実験や大型電波望遠鏡SKAによるパルサータイミング実験においてこのシナリオの痕跡を見ることが出来ることを示した。宇宙背景放射の観測では実証することの難しい初期宇宙模型を重力波観測で捉えるという点が本研究の特徴であり、非常に意義深いと言える。特に興味深いのは、この模型において原始ブラックホールが形成され、これによって銀河中心の超大質量ブラックホールを説明出来るようなパラメターを選んだときに、将来の重力波観測による検出が予言されるということである。

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