2025/04/07 更新

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ヤマダ ユウスケ
山田 悠介
所属
附属機関・学校 高等研究所
職名
講師(任期付)

経歴

  • 2019年04月
    -
    2022年03月

    東京大学   大学院理学系研究科附属ビッグバン宇宙国際研究センター   日本学術振興会特別研究員PD

  • 2016年10月
    -
    2019年03月

    スタンフォード大学   理論物理学研究所   ポスドク研究員

  • 2016年04月
    -
    2016年09月

    慶應義塾大学   自然科学研究教育センター   ポスドク研究員

 

論文

  • More on scattering processes of dressed particles with a time-dependent mass

    Yusuke Yamada

    Physical Review D   111 ( 4 )  2025年02月  [査読有り]

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    We discuss the scattering process of a scalar field having a time-dependent mass with another scalar field having a constant mass as a toy model of the scattering problems during preheating after inflation. Despite a general difficulty of analytically solving such models, in our previous work [QFT approach to dressed particle processes in preheating and non-perturbative mechanism in kinematically-forbidden regime, ], we considered an exactly calculable model of such scattering processes with a time-dependent mass of the form m2(t)⊃μ4t2 and the time-dependence never disappears formally. In this work, we discuss another exactly calculable model with a time-dependent mass that has a spike/peak but asymptotes to a constant, which effectively appears in the preheating model of Higgs inflation with a nonminimal coupling. Thanks to the localized time-dependence of the mass, the daughter particle number density behaves in a physically reasonable way contrary to the one in our previous model due to the infinite time-dependent mass in the asymptotic future. On the other hand, we find that the daughter particle experiences the kinematically forbidden process, which is a nonperturbative phenomenon found in our previous work. As in the previous model, the kinematically forbidden process produces daughter particles exponentially more than the parent particle having the time-dependent mass, which never happens for particle decay processes without time-dependent backgrounds. This result supports the existence of such a nonperturbative particle production process in general time-dependent backgrounds.

    Published by the American Physical Society 2025

    DOI

  • Proving the absence of large one-loop corrections to the power spectrum of curvature perturbations in transient ultra-slow-roll inflation within the path-integral approach

    Ryodai Kawaguchi, Shinji Tsujikawa, Yusuke Yamada

    Journal of High Energy Physics   2024 ( 12 )  2024年12月  [査読有り]

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    We revisit one-loop corrections to the power spectrum of curvature perturbations ζ in an inflationary scenario containing a transient ultra-slow-roll (USR) period. In ref. [1], it was argued that one-loop corrections to the power spectrum of ζ can be larger than the tree-level one within the parameter region generating the seeds of primordial black holes during the USR epoch, which implies the breakdown of perturbation theory. We prove that this is not the case by using a master formula for one-loop corrections to the power spectrum obtained in ref. [2]. We derive the same formula within the path-integral formalism, which is simpler than the original derivation in [2]. To show the smallness of one-loop corrections, the consistency relations and the effective constancy of tree-level mode functions of ζ for super-Hubble modes play essential roles, with which the master formula gives a simple expression for one-loop corrections. For concreteness, we provide a reduced set of interactions including the leading-order one, while establishing the consistency relations in a self-consistent manner. We also show how the consistency relations of various operators hold explicitly, which plays a key role in proving the absence of large one-loop corrections.

    DOI

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    3
    被引用数
    (Scopus)
  • One-Loop Vacuum Energy in 10D Super Yang–Mills Theory on Magnetized Tori with/without 4D N = 1 Supersymmetric Completion

    Hiroyuki Abe, Akinari Koichi, Yusuke Yamada

    Progress of Theoretical and Experimental Physics   2024 ( 12 )  2024年12月  [査読有り]

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    We compute the one-loop vacuum energy in 10-dimensional (10D) super Yang–Mills theory compactified on R1,3 × (T2)3 in the presence of the Abelian magnetic fluxes. Regularization of the infinite Kaluza–Klein (KK) sum is achieved by the use of Barnes ζ-functions, which can be applied to the case in which the KK mass spectrum has the Landau level structure. We apply the technique to two different models of the 10D super Yang–Mills theory: One is to introduce the magnetic flux background to the 10D super Yang–Mills action. The other is to first embed the 10D super Yang–Mills action into 4D N = 1 superspace and to introduce magnetic fluxes. The two models built result in different KK mass spectra as well as tree level potentials, and we compute the one-loop vacuum energy of each case. Nevertheless, both of the KK mass spectra have the Landau level structure and we can apply the regularization method in the same way. It turns out that the former model shows UV finite one-loop vacuum energy whereas the latter shows UV divergent one-loop potential that vanish when 4D N = 1 supersymmetry is not broken by magnetic fluxes. We discuss the origin of the differences from a higher-dimensional-supersymmetry viewpoint.

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  • Roles of electric field/time-dependent Wilson line in toroidal compactification with or without magnetic fluxes

    Hiroyuki Abe, Yusuke Yamada

    Journal of High Energy Physics   2024 ( 10 )  2024年10月  [査読有り]

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    We discuss the effects of electric fields along compact directions within (supersymmetric) gauge theory in ℝ1,3×T2×T2×T2. The electric field along compact directions is equivalent to time-dependent homogeneous configuration of Wilson line moduli, which would be relevant to physics in the early universe. In particular, we consider models with and without background magnetic fluxes, which lead to completely different effects of the electric field due to the difference in the Kaluza-Klein (KK) level structure. We show that, in the case without magnetic fluxes, the deceleration of KK momenta may cause non-perturbative KK particle production dubbed as the KK Schwinger effect, whereas in the case with magnetic flux such KK particle production does not take place but flavor structure of low energy effective theory may be affected.

    DOI

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  • Roles of boundary and equation-of-motion terms in cosmological correlation functions

    Ryodai Kawaguchi, Shinji Tsujikawa, Yusuke Yamada

    Physics Letters, Section B: Nuclear, Elementary Particle and High-Energy Physics   856  2024年09月  [査読有り]

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    We revisit the properties of total time-derivative terms as well as terms
    proportional to the free equation of motion (EOM) in a Schwinger-Keldysh
    formalism. They are relevant to the correct calculation of correlation
    functions of curvature perturbations in the context of inflationary Universe.
    We show that these two contributions to the action play different roles in the
    operator or the path-integral formalism, but they give the same correlation
    functions as each other. As a concrete example, we confirm that the Maldacena's
    consistency relations for the three-point correlation function in the slow-roll
    inflationary scenario driven by a minimally coupled canonical scalar field hold
    in both the operator and path-integral formalisms. We also give some comments
    on loop calculations.

    DOI

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    6
    被引用数
    (Scopus)

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講演・口頭発表等

  • モジュラーフレーバー対称性模型におけるモジュライの動的捕捉機構

    山田悠介, 菊地渉太, 小林達夫, 那須海渡, 佐久間陸, 高田翔平

    日本物理学会  

    発表年月: 2023年09月

    開催年月:
    2023年09月
     
     
  • 背景古典場中における(非)摂動的粒子散乱過程

    山田悠介, 田屋英俊

    日本物理学会  

    発表年月: 2022年09月

    開催年月:
    2022年09月
     
     
  • プレヒーティング期におけるドレスド粒子の崩壊

    山田 悠介, 田屋 英俊

    PASCOS 22  

    発表年月: 2022年07月

    開催年月:
    2022年07月
     
     
  • Nonlinearly realized supergravity and its applications

    Yusuke Yamada  [招待有り]

    APPC2019  

    発表年月: 2019年11月

  • 4次元N=1 超重力理論における反D3ブレーンの有効作用

    山田悠介, Niccolo Cribiori, Christoph Roupec, Timm Wrase

    日本物理学会2019年秋季大会  

    発表年月: 2019年09月

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 宇宙観測による超対称性の検証

    日本学術振興会  科学研究費助成事業

    研究期間:

    2019年04月
    -
    2022年03月
     

    山田 悠介

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    今年度は「ストークス現象に基づく真空からの粒子生成現象の解析」、「新しい超対称性の自発的破れの機構」、「2B型超弦理論に基づくインフレーション模型の構築」を行なった。
    超対称粒子を含む重い粒子が初期宇宙において真空から生成される可能性に注目し、真空からの粒子生成現象をストークス現象の観点から系統的に解析する手法の開発を前年度から進めていた。本年度はインフレーション後に起こる爆発的な粒子生成現象であるプレヒーティングをストークス現象の観点から再考し、爆発的な粒子生成を起こす共鳴現象を含む様々なパラメータ領域での粒子生成が統一的に記述できることを示した。
    また現在の加速膨張宇宙を実現するために必要な自発的超対称性の破れの新しい機構として、ベクトル場の時間成分が真空期待値をもち、超対称性と共にローレンツ対称性も自発的に破る模型を提案した。多くの超対称模型とは異なり、超対称性の破れとローレンツ対称性の破れが相関するため、この模型における超対称性の破れのスケールは100TeVより小さくなければならないことが分かった。これはローレンツ対称性の破れの検証実験や加速器による超対称粒子の検出の双方から検証できる興味深い模型である。
    2B型超弦理論に基づくインフレーション模型の構築に関する研究も行なった。簡単な構造を持つ2B型超弦理論のコンパクト化模型には7つのモジュライ場が現れるが、単一場インフレーションの実現には6つのモジュライ場を固定する必要がある。超弦理論における無矛盾条件を考慮したフラックスパラメータを用いて、6つのもモジュライを固定した超対称性真空が実現できることを示し、残るモジュライ場をインフラトン場と同定することで、近い将来の宇宙背景放射観測により検証できるインフレーション模型を構築できることを示すことができた。

  • 物質場を含む修正超重力理論の構成とその現象論

    日本学術振興会  科学研究費助成事業

    研究期間:

    2014年04月
    -
    2016年03月
     

    山田 悠介

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    今年度は大きく分けて以下の3つの事柄に関しての研究を行った。一つ目は物質場及びゲージ場に対する高次微分相互作用を含む超重力模型の構成及びその宇宙論への応用である。特に超弦理論の枠組みにおける、 D-ブレーンの有効作用である、Dirac-Born-Infeld(DBI)型作用に注目した。特に、物質場とゲージ場が結合している系への拡張を初めて具体的に構成することに成功した。その系の応用として、初期宇宙におけるインフレーションモデルを構成し、DBI作用への拡張による宇宙論的影響についても調べた。その結果、DBI作用への拡張による補正によって、宇宙論的観測量が大きく変化する可能性があることを示すことができた。
    二つ目は6次元超重力理論に関する研究である。高次元時空は超弦理論の予言の一つであり、その性質を調べることは重要である。特に高次元時空の超対称性は4次元超対称性に比べて高い対称性となることも知られている。その素粒子現象論的な性質を調べるには4次元超対称性のみを明らかな形式で記述するのが有用となる。我々は6次元超重力理論を4次元超対称性が明らかな形式に書き換えることに成功した。
    三つ目はベキ零超場と呼ばれる特殊な超対称多重項を含む理論の構成である。現在の宇宙では超対称性は破れていなければならないが、その際に超対称性を破るフェルミオンが現れることが知られている。それは有効的にベキ零性を持つ超場により記述できることが知られている。本研究では特に超重力理論におけるゴールドスティーノ有効作用は完全なものを示し、さらに物質場と結合する場合について初めて具体的に示すことができた。また、その性質を持つ修正超重力理論モデルを構成した。そのモデルは宇宙観測と整合的であるだけでなく、1TeV程度の超対称性の破れを実現することを予言し、そのため近い将来の加速器実験により検証可能であること発見した。

Misc

 

現在担当している科目

 

他学部・他研究科等兼任情報

  • 理工学術院   先進理工学部

特定課題制度(学内資金)

  • 非自明な背景場中での場の量子論の研究

    2024年  

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    本年度は非自明な時間依存性を持つ系における場の量子論の研究に関して、大きく分けて二つのテーマを進めた。一つは時間依存する質量をもつ量子場の散乱問題である。以前の我々の研究において、時間依存する質量をもつスカラー場に関し、自由場について厳密解が存在する系を用いた摂動計算により、時間依存する質量を持つ量子場を含む粒子散乱問題では、それまでに知られていなかった新しい粒子散乱過程が存在することを初めて発見した。しかし、その模型では質量が漸近的に発散するという非物理的性質があったため、発見された散乱過程が物理的に妥当であるか疑問が残っていた。そこで私は自由場が厳密解をもつ新しい系を用いて同様の問題を考察した。今回扱った模型では粒子質量の時間依存性が漸近的に消失することから前述の非物理的な振る舞いは現れない。しかし、我々の先行研究の模型と同様に非自明な粒子散乱過程が存在することを解析計算により明らかにできた。このことから、時間依存する背景中の場の量子論特有な非自明な散乱過程は一般的な性質であることが示唆され、本研究成果は初期宇宙における宇宙の熱化過程に重要な役割を果たすことが期待される。本研究の成果は論文にまとめ、学術誌に掲載されている。二つ目は高次元時空における量子効果を含む宇宙の時間発展に関する研究である。高次元時空から有効的に4次元時空が生まれる過程の模型化を目的として、最も簡単な高次元時空宇宙模型として膨張する5次元時空宇宙模型の構成を試みた。本研究ではコンパクト化条件として比較的に簡単なものを選ぶことで量子効果等を解析計算できるようにしており、宇宙の時間発展方程式であるアインシュタイン方程式等を解析的に記述できている。最終的に量子場に伴う無限自由度を有限化した後に数値計算によるシミュレーションを実施するために、解析計算等を進めている。

  • 非自明な背景場中での場の量子論の研究

    2023年   Renata Kallosh, 小林達夫, 菊地渉太, 那須海渡, 佐久間陸, 高田翔平, 安倍博之, 小市明勢

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    本研究では非自明な背景場を含む場の量子論の研究というテーマのもと、以下の成果を得た。まず、「高次超対称性を持つ4次元超重力理論における紫外発散がない」ことを高次超対称性を持つ重力理論に隠れた対称性の観点から証明した。これは未だ完成していない重力の量子論における紫外発散問題に対して、超対称性とそれに伴う隠れた大局的対称性の役割の重要性を示す重要な結果である。この結果をまとめた論文は学術誌に掲載されている。また、近年注目されている「モジュラー対称性」を持つ素粒子模型において、素粒子質量の決定に重要な役割を果たす複素構造モジュライ場の真空期待値を決定する機構に関する研究も行った。複素構造モジュライ場が初期宇宙において時間変化することを想定し、その時間変化に伴って生じる真空からの粒子生成現象により生成される粒子のエネルギーを考慮することで、複素構造モジュライ場は軽い粒子が現れる「拡大対称点」周辺に捕捉される可能性に注目し、数値計算シミュレーションや解析計算を通して実際にモジュライ場が補足できることを示した。また複素構造モジュライ場に対して物質場からの量子補正により生じるポテンシャルが、拡大対称点に補足されたモジュライ場の真空期待値に与える影響を解析した。量子補正が十分に大きくなる場合、現実的な素粒子質量スペクトラムを再現するために取るべき複素構造モジュライ場の真空期待値が実現されうることを示すことに成功した。これらの結果はそれぞれ論文にまとめ、学術誌への掲載に至っている。さらに、観測されている素粒子標準理論を超弦理論の枠組みで実現する最も簡単な系として知られる「磁場を持つトーラスコンパクト化模型」における真空エネルギーに関する研究も実施した。古典的な相互作用ラグランジアンが4次元超対称性を実現するような模型において、トーラス計量に対する量子補正ポテンシャルを計算し、補正されたポテンシャルが4次元超対称性を保つ真空を持つか否かを議論した。この結果は論文にまとめ、現在学術誌で査読中である。

  • 非自明な背景古典場を含む場の量子論の研究

    2022年   Andrei Linde, Renata Kallosh, Timm Wrase, 田屋 英俊

     概要を見る

    In supergravity inflation models, a supersymmetry breaking fermion called Goldstino plays an important role to realize accelerated expansion of the Universe. It was pointed out by Dall'Agata et al. that Goldstino may form a condensation, which leads to instability to the system and successful expansion of the Universe would not occur. With Kallosh, Linde, Wrase, I showed that such condensation of Goldstino is unphysical and clarified the problem of the analysis the authors took in their paper. We have reported our result in Journal of High Energy Physics.With Taya, I have also discussed the particle scattering process in the very early Universe. In particular, just after inflation, the Universe is filled with scalar field condensate, and particles coupled to the condensate can be produced from "vacuum". We have considered the scattering processes of such particles to other light particles. We have found that due to the absence of energy conservation, parent particle produced from vacuum can decay into very light particles, which is kinematically forbidden in the standard scattering process. Interestingly, it turned out that such a kinematically forbidden process is more efficient than the kinematically allowed decay. We have reported our result at PASCOS 2022, JPS meeting and Journal of High Energy Physics.