東京大学宇宙線研究所
L=理論グループ−SUG

RA

12 eR-50ϕ/MGG0-10/M

100η

V/m2MG2++ieg
川崎雅裕 （宇宙論）egij ∗ ˜ij ∗Djχµφ i−1µσ̄
伊部昌宏 （素粒子論）
D˜ µ4 ef RD˜φ ∗jµχ i(a− 1+ i ! b) Fµ(a)+e$ µνν F2 eg 22eµρν(研究員 1 名λ(σDb)aψ(a−1)σ µ+) D (aµσ̄
11˜D (2fIν D˜
8 e$ µν
学生 M：(4名)(ab) D˜D：(3名)! µ λ a)ρψρσσµ+0.5I
feλ (aλ((a)ab) F (a) σ̄ µµσµν )5D˜λ (b) "Fρ (b)µ"(λ0a10σ)理論グループの研究• 物質は究極的には何から出来ているのか？
• 相互作用の基本法則は何か？
密接に関係• 宇宙は何でできているのか？
• 宇宙はどのように始まりそして進化して来たのか？
• 宇宙は今後どうなって行くのか？
これらの疑問に答える理論を考えるのが理論グループの研究です理論グループの研究

素粒子的宇宙論
物質の究極の理解

宇宙の探求

超対称性理論

インフレーション
宇宙モデル

大統一理論
アクシオン模型
暗黒物質
ダークエネルギー
ニュートリノ物理

物質・反物質の非対称性の起源
原始ブラックホール
ニュートリノ宇宙論
元素合成Probing cross-sections of•2011年
LHCで発見individual
production
modes

H

ZZ*
Z+jets, t t, tt+V, VVVUncertainty

80

標準模型が完成！

40SignCon1000

500

Total

00
dyd < 400 , dyu < 820 , dys < 19 (ATLAS−20 )80 90 100 110 120
130 140 150 160 170
110
dyd < 450 , dyu < 930 , dys < 22 (CMS)
m4l [GeV]

Figure 20: Four-lepton invariant mass p
distribution for the Higgs boson candidates selected by the H! Z Z
1analysis in 79.8 fb of data collected at s = 13 TeV (black dots) together with the corresponding prediction ofrom simulation (solid histograms). The uncertainty in the prediction is shown by the hatched band.

Stat.

ATLAS-CONF-2018-028, ATLAS-CON

Syst.

ATLAS Preliminary

SMH → ZZ*
13 TeV, 79.8 fb

H

突入している！

Data

110
60
and ATLAS[20], respectively, µ = 1.06 ± 0.07 and µ = 1.0240+0.07
200.06 , on
20
C.L. bounds:

Total ( Stat. Syst. )標準模型の背後に迫る時代に

ggF

1500

Symmetry 2022, 14, 1183

Exp. and theo. systematics playa key role
ATLAS Preliminarys = 13 TeV, 79.8 fb−1
H→γ γ , |y | < 2.5

13 TeV, 79.8 fb

Signal (m =125 GeV)

60• Upm
to ~15%= 124precision
126 GeVH-1

Sum of Weights / 1.0 GeV

Events / 2.5 GeV•ヒッグス

100 H → ZZ* → 4l

Data

Data - Cont. Bkg

Not reviewed, for internal circulation o-1
質量を与える素粒子
Results
using80fb•

ATLAS Preliminary-1Stage 0 - |y | < 2.50.97+ 0.15− 0.14( ± 0.11+ 0.10− 0.08H)
ggF

VBF

1.40+ 0.43− 0.37(+ 0.32− 0.31+ 0.29− 0.21)

VH

1.08+ 0.59− 0.54(+ 0.53− 0.49+ 0.26− 0.23)

VBF

VH

標準模型を越える物理？

• 標準模型は最終理論か？
• ヒッグスの質量の起源は？
• ニュートリノの質量の起源は？
• 宇宙の物質反物質非対称性の起源は？
• 暗黒物質は何か？
• CP対称性の起源？CP対称性の破れの起源？
• 標準模型では電磁力と弱い力が統一された。更なる統一は期待出来るか？
• 超対称性？
力の統一？

究極の理論への道は遠く、まだまだ考えることが沢山ある！

宇宙初期• ビッグバン標準宇宙論• 宇宙が誕生して約１秒から現在までの宇宙の進化を正しく記述する• インフレーション宇宙モデル• さらに初期の宇宙を記述し標準モデルを補う• 宇宙の平坦さ（宇宙が長生き）を説明• 宇宙が因果律を超えて一様に見えることを説明• 銀河の種（密度揺らぎ）を説明• 宇宙背景放射非等方性の観測からインフレーションの証拠誕生直後 (~10-36 秒?)の宇宙を理解できる時代になった

宇宙論の問題• インフレーションを起こす素粒子モデル• 宇宙の物質・反物質非対称性• ダークマター・ダークエネルギー
宇宙論と素粒子論はもはや切り離せない！
40万年後最初の星

インフレーション

量子ゆらぎ

http://map.gsfc.nasa.gov

137億年

宇宙論の問題

EHT による M87 BH の画像 (質量 ~109M⨀)

重力波観測を通じて太陽質量の数十倍の重いブラックホールが発見
銀河中心には 103−9M⨀ の巨大ブラックホールが存在
巨大ブラックホールの起源は未だ不明…
インフレーションなどの初期宇宙に起源？

研究例 1：大統一理論の再考察
2019 Ibe, Shirai, Suzuki and Yanagida2022 Ibe, Shirai, Watanabe and Yanagida

標準模型 : SU(3)color x SU(2)L x U(1)Y ゲージ理論
物質：quark & lepton
SU(2)

U(1)Y

3

2

1/6--2/3
1/3

νLℓL = e( L)

3̄
3̄

-

2-1/2

ēR--

1

Gauge bosons

gQuarks

SU(3)uL
QL =(dL)ūRd¯RLeptons

Z,W, γわりと複雑…

x ３世代

研究例 1：大統一理論の再考察
2019 Ibe, Shirai, Suzuki and Yanagida2022 Ibe, Shirai, Watanabe and Yanagida

SU(3) x SU(2) x U(1) を SU(5) に埋め込むと…
フェルミオンたちはたった２種類にまとまる!

! D1R $
# 2&
# DR &3
ψ(5*) = # DR &# L1L &## 2 &&" LL %"$ 0$ −UR3$
ψ(10) = $ UR2$ −U1L$$ −D1L#UR3−UR2

U1L0UR1UL2−UR10

UL3

−UL2

−UL3

0−DL2−DL3−ER%
D1L 'DL2 ''
DL3 'ER ''0 '&偶然とは思えない！

ψ(5*) + ψ(10) x 3

研究例 1：大統一理論の再考察
2019 Ibe, Shirai, Suzuki and Yanagida2022 Ibe, Shirai, Watanabe and Yanagida

力の統一？

力の強さも実際に高エネルギーでは近づいていく！
1014 GeV に統一理論の可能性！

fiGrand Uni ed Theory (GUT)研究例 1：大統一理論の再考察
2019 Ibe, Shirai, Suzuki and Yanagida2022 Ibe, Shirai, Watanabe and Yanagida
統一理論ではレプトンとクォークが同じものになっている。
クォークがレプトンに変化できる → 陽子崩壊！

寿命は ~ 1027 year x (MX/1014GeV)4SuperKamiokande 実験ですでに棄却…
(寿命の下限 ~ 1034 year )力の統一？

よく見ると一致もそれほど良くない。。。

研究例 1：大統一理論の再考察
2019 Ibe, Shirai, Suzuki and Yanagida2022 Ibe, Shirai, Watanabe and Yanagida! D1R $
# 2&
# DR &3
ψ(5*) = # DR &# L1L &## 2 &&" LL %"$ 0$ −UR3$
ψ(10) = $ UR2$ −U1L$$ −D1L
#UR3−UR2U1L0UR1

UL2−UR10

UL3−UL2−UL30−DL2−DL3−ER%
D1L 'DL2 ''
DL3 'ER ''0 '&クォークとレプトンが SU(5) の表現に埋め込まれるのは偶然か？
実はクォークとレプトンが SU(5) 表現に埋め込まれていなくても標準模型のエネルギー領域ではあたかも SU(5) 表現に埋め込まれているように見える一般的枠組みがある！

Fake GUT ?

研究例 1：大統一理論の再考察
2019 Ibe, Shirai, Suzuki and Yanagida2022 Ibe, Shirai, Watanabe and Yanagida

Fake GUT
ゲージ群 = SU(5) x H
理論は ψ(5*) + ψ(10) を含む
理論は ψ(5*) + ψ(10) 以外にもいろいろ物質場を含む
ただし ψ(5*) + ψ(10) はクォーク、レプトンを含まなくてよい
高エネルギー理論：独立

ψ(5*) + ψ(10)クォーク、レプトン

標準模型： クォーク、レプトン ~ ψ(5*) + ψ(10)fake GUT では ψ(5*) + ψ(10) の中身が勝手にクォーク&レプトンに勝手にすり替わってしまう。

研究例 1：大統一理論の再考察
2019 Ibe, Shirai, Suzuki and Yanagida2022 Ibe, Shirai, Watanabe and Yanagida

Fake GUT×

陽子崩壊が大幅に抑制 → SK 制限を逃れる。
それでも陽子崩壊はやはり崩壊する。
様々な崩壊モードが可能！
( 例えば p → π0 + μ がメインモードにもなれる。)

fake GUT では力の統一がそれほど良くな力の統一？

いのも当然。

Hyper-K に期待が高まる！

まだまだ新しい考え方なのでいろいろ考える必要がある！

研究例 2：暗黒光子にまつわる位相欠陥A.

Cosmic String2021 MI, Hiramatsu, Suzuki, Yamaguchi
2023 MI, Chitose
Figure 2. Left) A schematic figure of the bead configuration. A string and an anti-st
attached to the monopole placed at the center of the sphere. The arrows show the direc
the circular currents inside the strings. Right) The magnetic flux of U(1)D in the configur

This configuration is connected toin the south hemisphere. The connected configuration is nothing but the cosmic

solution with n = 1. Thus, totally, this configuration has a string and an anti-string

光子urations attached to a magnetic monopole. The magnetic fluxes confined in the str

1Fµ⌫ F µ⌫
4

the anti-string sum up toL=

which coincides with the magnetic flux of the monopole in Eq. (35).

The above configuration is called the bead solution [36]. In Fig. 2, we show a sch

picture of the bead solution. As in the case of Fig. 1, the magnetic flux is expecte

First, let us consider the dark photon model based on the U(1)D gauge theory coupling
近年 Sub-GeV の質量の暗黒光子模型を含む暗黒物質模型が注目されている
to the QED photon,
暗黒光子は運動項を通じて通常の光子と混合している。
1 0 0 µ⌫ ✏0Fµ⌫ F + Fµ⌫ F µ⌫ + Dµ Dµ ⇤
42

暗黒光子

混合項

ε×V( ) .

(1)

0Here, Fµ⌫ and Fµ⌫
represent the gauge field strengths of the U(1)QED and the U(1)D gauge

03
iANi dxv2 i'
˜S ! e2' ˜N = pe ,
22
103
03
iASidxi ! ANi dx + d' = d' ,gg

Itheories, respectively. The corresponding gauge fields are given by Aµ and A0µ . The parame暗黒光子にまつわる位相欠陥
ter ✏ is the kinetic mixing parameter.6 The gauge coupling constants of U(1)QED and U(1)D
暗黒光子の質量がゲージ対称性の自発的対称性の破れに
are denotedby e and g, U(1)respectively.
Throughout this paper, we assume that the charge
I03
ASi
dxi =19

よるものであれば暗黒光子に暗黒宇宙ひもが生じる
assignment of the U(1)QED and the U(1)D is exclusive in the basis defined in Eq. (1). Thatis, all暗黒光子のthe SM fields
areが非可換ゲージ群由来の場合暗黒モノポール
neutral under U(1)D , while all the U(1)D charged fields are neutral
U(1)underが生じる
U(1)QED .

4⇡,gが宇宙ひもに繋がれたビーズ状の解が得られる
Dµ = (@µigA0µ ) .

∼(��� ) -�To break the U(1)D , we introduce a complex scalar field with the U(1)D charge 1. The
暗黒モノポール周りでU(1)by
ゲージ対称性が破れるとモノポール
covariantderivative of is given(2)

研究例 2：暗黒光子にまつわる位相欠陥
2021 MI, Hiramatsu, Suzuki, Yamaguchi
2023 MI, Chitose

暗黒宇宙ひも内部に暗黒光子の磁束密度混合効果で光子の磁束密度ε××0Fµ⌫ = ✏Fµ⌫<latexit sha1_base64="qyLf3XYPJqY/7XaRW9FEdAzNbSg=">AAACCnicbVDLSsNAFJ3UV62vqEs3o0V0VRIRdSMUheKygn1AE8JkOmmHzkzCzEQooWs3/oobF4q49Qvc+TdO2yDaeuDC4Zx7ufeeMGFUacf5sgoLi0vLK8XV0tr6xuaWvb3TVHEqMWngmMWyHSJFGBWkoalmpJ1IgnjISCscXI/91j2RisbiTg8T4nPUEzSiGGkjBfZ+Lcg8nnoiHcFL6JFEURYLWDv6kQO77FScCeA8cXNSBjnqgf3pdWOcciI0Zkipjusk2s+Q1BQzMip5qSIJwgPUIx1DBeJE+dnklRE8NEoXRrE0JTScqL8nMsSVGvLQdHKk+2rWG4v/eZ1URxd+RkWSaiLwdFGUMqhjOM4FdqkkWLOhIQhLam6FuI8kwtqkVzIhuLMvz5PmScU9q7i3p+XqVR5HEeyBA3AMXHAOquAG1EEDYPAAnsALeLUerWfrzXqfthasfGYX/IH18Q210ppJ</latexit>

=✏

r·B=0
<latexit sha1_base64="DOiyKM4kJsail+D6ZPizlCKuvZ0=">AAACA3icbVBNS8NAEN34WetX1JteFovgqSQi6kUo9eKxgv2AJpTNdtMu3WzC7kQooeDFv+LFgyJe/RPe/Ddu2hy09cHA470ZZuYFieAaHOfbWlpeWV1bL22UN7e2d3btvf2WjlNFWZPGIladgGgmuGRN4CBYJ1GMRIFg7WB0k/vtB6Y0j+U9jBPmR2QgecgpASP17ENPkkAQ7NF+DF5EYBiEWX2Cr7HTsytO1ZkCLxK3IBVUoNGzv7x+TNOISaCCaN11nQT8jCjgVLBJ2Us1SwgdkQHrGipJxLSfTX+Y4BOj9HEYK1MS8FT9PZGRSOtxFJjO/Eo97+Xif143hfDKz7hMUmCSzhaFqcAQ4zwQ3OeKURBjQwhV3NyK6ZAoQsHEVjYhuPMvL5LWWdW9qLp355VavYijhI7QMTpFLrpENXSLGqiJKHpEz+gVvVlP1ov1bn3MWpesYuYA/YH1+QO305bq</latexit>

ひもに光子の磁束密度が誘導され閉じ込められた暗黒磁気モノポール周りから光子の磁束がモノポール状に放射されるε×∼(��� ) -�✏ df (⇢)
d⇢ ^ d' ,g d⇢I03ASidxi =✏ df (⇢)
d⇢ ^ d' .
g d⇢3iANi dx + ✏I ∼(���) -�

FN = ✏FN03 =1

FS = ✏FS03 =(gv2 )暗黒磁気モノポール周りの磁束が宇宙ひもに閉じ込められた状態

4⇡
gFigure 3. A schematic picture of the QED magnetic flux induced by the bkinetic mixing term (blue solid lines). The dark magnetic flux is shown by
In the QED magnetic flux follows the dark magnetic flux inside the strin
flux leaks out from around the dark magnetic monopole, i.e., |z| ⇠ (gv2 )Bianchi identity of the U(1) gauge theory.

(gv2 ) 1 . Therefore, we find that the QED magnetic flux aregion, the dark anti-string induces the QED magnetic flux,

at z

at z ⌧F |z|north hemisphere of the dark monopole) and the anti-string (in the sZThe sign of the integration of the surface integration is flipped from the on

into the region r < O((gv2 ) 1 ), which amounts to13

13

ビーズ解

光子側には何も生じない

暗黒磁気モノポールε(gv2 ) 1 (see Eq. (14)). Similarly, the dark string induces theFigure 2. Left) A schematic figure of the bead configuration. A 1string and an anti-string ainterested in the flux flowing into z ⇠ (gv2 ) .
attached to the monopole placed at the center of the sphere. The arrows show the directions
the circular currents inside the strings. Right) The magnetic flux of U(1)D in the configuration
23

This configuration is connected to

これらの位相欠陥は混合した光子からどのように見えるか？

pseudo monopole研究例 2：暗黒光子にまつわる位相欠陥
2021 MI, Hiramatsu, Suzuki, Yamaguchi
2023 MI, Chitose
これらの位相欠陥は混合した光子からどのように見えるか？
数値シミュレーションの結果(SU(2) —> U(1) —> Z2 への自発的破れ)
右下のビーズ解周りの QED magnetic ux
赤：cosmic string に沿って monopole に流入

fl青：monopole から外に向かって流出

理論グループの特徴• 素粒子・宇宙の研究室が一体的に運営• セミナーは共通、学生は同じ部屋(水曜日:ジャーナルクラブ / コロキウム)• 素粒子と宇宙の両方に興味がある学生に最適• 閑静な柏キャンパス• 数物連携宇宙研究機構(IPMU)• IPMUの人々との積極的に共同研究しています。

• 伊部（素粒子論）A1• 川崎先生は来年度のM1生を取りませんが宇宙論＋素粒子としての運営は続きます。

進学後の道のり• M1~M2• 基礎勉強 （とても大事）• 講義（本郷）

場の理論、宇宙論

M1前半は本郷での講義が中心の生活• 教科書や論文を読むゼミ＠柏 or 本郷• 興味のある分野の論文を読む• M1の秋からプロジェクト• 論文修士論文の研究開始• Ｄ1~D3

hep-ph, astro-phをチェック→ M2 の春頃までに論文にする
12月完成
修士論文の内容は学術雑誌に発表• 独立した研究者になる

自ら研究課題を見つけ研究を• 博士論文を完成遂行する最近の修士過程の学生の研究例
IPMU22-0054

Precise Estimate of Charged Wino Decay Rate
Masahiro Ibea,b , Masataka Mishimaa , Yuhei Nakayamaa and Satoshi Shiraibb

ICRR, The University of Tokyo, Kashiwa, Chiba 277-8582, Japan
Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (WPI),The University of Tokyo Institutes for Advanced Study,
The University of Tokyo, Kashiwa 277-8583, Japan

Abstracton Dark
Topological
The Wino is an More
SU(2)L triplet
Majoranafermion and Defects
a well-motivated dark matter candidate. The mass di↵erence between the charged and the neutral Winos is small thanks to1, ⇤1, †the SU(2)L symmetry. Akifumi
The smallChitose
mass di↵erence
makes the Ibe
chargedWino meta-stable, which
and Masahiroprovides disappearing charged track signatures at collider experiments. The constraint
TU-1189on the1
Wino dark
matterTheat theLHC stronglydepends
on the Winolifetime.
We compute
ICRR,
Universityof Tokyo,
Kashiwa,
Chiba
277-8582,
Japan the next-toPrepared
forcorrection
submission ofto theJCAP
leading order(NLO)
charged Wino decay and make the most precise estimate(Dated: March 21, 2023)of the decay rate. We find that the NLO decay rate is determined by the mass di↵erence andscarcely depend on the Wino mass itself in the heavy Wino limit. As a result, we find the NLO
Abstract
correction gives a minor impact on the lifetime of 2–4% increase.
We consider a model of dark photon which appears as a result of the successive symmetry

Clustering of Primordial Black HolesIn this paper,
we studyQCD
the interactions
betweenBubbles
QED charges and the dark topological defectsfromAxion
breaking SU(2) ! U(1) ! Z2 , where various types of topological defects appear in the dark sector.

v1 [astro-ph.CO] 22 May 2023

[hep-ph] 11 Jan 2023
.10861v1 [hep-ph]arXiv:2210.16035v2
20 Mar 2023

athrough mixing between QED photon and dark photon. In particular, we extend our previous
analysis by incorporating the magnetic mixing and ✓-terms. We also consider the dyons andKentaro Kasaia , Masahiro Kawasakia,b , Naoya Kitajimac,d ,Kai Murai , Shunsuke Neda , Fuminobu Takahashidyonic beads in the darka,dsector. Notably, dark magnetic/dyonicbeads are foundto induce a QED
adCoulomb potential
through the magnetic mixing despite finite mass of the dark photon.
aICRR, University of Tokyo, Kashiwa, 277-8582, Japanb Kavli IPMU (WPI), UTIAS, University of Tokyo, Kashiwa, 277-8583, Japanc Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences, Tohoku University, Sendai, 980-8578 Japand Department of Physics, Tohoku University, Sendai, 980-8578 Japan

E-mail: kkasai@icrr.u-tokyo.ac.jp, kawasaki@icrr.u-tokyo.ac.jp,
naoya.kitajima.c2@tohoku.ac.jp, kai.murai.e2@tohoku.ac.jp,
neda@icrr.u-tokyo.ac.jp, fumi@tohoku.ac.jp

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卒業後の進路
修士 H24 H25 H26 H27 H28 H29 H30 R1

R2R3R4

進学

212

2

2

2

31

11

1

就職

00

100

20012

1

博士 H24 H25 H26 H27 H28 H29 H30 R1

R2R3R4

研究職就職

1201111200111000110220• 興味のある方は午後の研究室訪問にお越しください。
（都合により４時までです。すみません。)