【本学研究者情報】

〇学際科学フロンティア研究所　新領域創成研究部　助教　山田將樹
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• アクシオンという新粒子がダークマター^＊1のエネルギーをきっかけとして運動を始めることで、宇宙マイクロ波背景放射の偏光面が回転するという観測結果を説明可能であることを示しました。
• アクシオンが運動を始めたのは長い宇宙の歴史の中で最近になってからなのはなぜか、という理論的な疑問点を解消しました。
• これにより、アクシオンという新粒子を通して宇宙マイクロ波背景放射の偏光とダークマターが密接に関連している可能性が開かれました。

【概要】

宇宙マイクロ波背景放射は宇宙に満ちている光であり、高温状態にあったビッグバン宇宙の名残として、宇宙の晴れ上がりと呼ばれる時期から現在までまっすぐに飛んできています。2020年11月、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、偏光データの解析から指摘されていました。

このような効果をもつ新しい素粒子として、超弦理論が予言するアクシオンがあります。非常に軽いアクシオンは宇宙の晴れ上がりの時期以降に運動を始め、この運動によって宇宙マイクロ波背景放射の偏光面が回転することが知られています。しかし、アクシオンが運動を始めたのはなぜこの時期になってからなのか、という疑問が残っていました。

東北大学学際科学フロンティア研究所の山田將樹助教、大学院理学研究科の高橋史宜教授および中川翔太大学院生の研究グループは、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ました。

この機構によると、宇宙の晴れ上がりの時期と、ダークマターが宇宙のエネルギー密度を支配し始める時期が非常に近いことから、アクシオンが必然的に宇宙マイクロ波背景放射の偏光に影響を与えることになります。

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には、新しい相互作用が必要になります。本研究では、標準理論の四つの力に加えてもう一つの未知の力が存在し、それに付随する磁気単極子がダークマターとなるシナリオに着目しました。

今後の宇宙マイクロ波背景放射の観測とダークマターの探査実験によって機構が確かめられれば、宇宙論および素粒子理論の発展に大きく貢献します。

本研究の成果は、米国現地時間の2021年10月28日、学術誌『Physical Review Letters』に掲載されました。

【用語解説】

＊1 ダークマター
宇宙に存在している見えない未知の物質。重力の相互作用を通して銀河などの宇宙の構造の形成に密接に関わっている。特に物質優勢期にはダークマターのエネルギーが宇宙の主要な成分になる。ダークマターが具体的にどのような粒子なのかは分かっておらず、それを直接捉えようと世界中で様々な探査実験が行われている。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関して）
東北大学学際科学フロンティア研究所
助教 山田將樹（やまだ まさき）
E-mail: m.yamada*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

（報道に関して）
東北大学学際科学フロンティア研究所
特任准教授 藤原 英明 （ふじわら ひであき）
電話： 022-795-5259
E-mail: hideaki*fris.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）